FR2668250A1 - Heat exchanger with tubes joined by expanded metal plates - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne de nouveaux échangeurs de chaleur utilisablesThe invention relates to new usable heat exchangers.
notamment pour desespecially for
échanges entre deux fluides, par exemple entre un liquide et un gaz. exchanges between two fluids, for example between a liquid and a gas.
Les échangeurs de chaleur liquide-gaz comprennent, en général, un ensemble de tubes substantiellement parallèles entre eux à travers lesquels le liquide participant à l'échange s'écoule, le gaz participant à l'échange circulant entre les tubes, en général dans une Liquid-gas heat exchangers generally comprise a set of tubes which are substantially parallel to each other through which the liquid participating in the exchange flows, the gas participating in the exchange circulating between the tubes, generally in a
direction perpendiculaire à l'axe des tubes. direction perpendicular to the axis of the tubes.
Pour améliorer l'échange thermique, on peut munir chaque tube d'une pluralité d'ailettes qui consistent en des plaques de formes diverses disposées autour du tube tout au long de To improve the heat exchange, each tube can be provided with a plurality of fins which consist of plates of various shapes arranged around the tube throughout
celui-ci, en général dans des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe du tube. the latter, generally in planes substantially perpendicular to the axis of the tube.
Les ailettes présentent l'inconvénient d'offrir à l'écoulement du gaz transversalement à l'axe The fins have the disadvantage of offering the gas flow transversely to the axis
des tubes une surface de contact telle que, même si elle accroît l'efficacité de l'échange ther- tubes a contact surface such that, even if it increases the efficiency of the heat exchange
mique, elle occasionne également des pertes de charges importantes pour le gaz s'écoulant mique, it also causes significant pressure losses for the flowing gas
au contact de celle-ci.in contact with it.
On a également proposé de munir les tubes de lanières ou de fils disposés longitudinale- It has also been proposed to provide the tubes with strips or wires arranged longitudinally-
ment au contact des tubes Ces lanières ou ces fils présentent à l'écoulement du gaz une faible longueur de contact qui a pour effet d'entraîner le décollement de la couche limite, permettant en outre un excellent contact gaz-lanière ou gaz-fil avec une perte de charge ment in contact with the tubes These strips or these wires have a short contact length with the flow of gas which has the effect of causing the separation of the boundary layer, moreover allowing excellent gas-strip or gas-wire contact with a pressure drop
plus faible que celle rencontrée avec les ailettes. weaker than that encountered with the fins.
Sur la base de ce principe, on a proposé notamment des échangeurs comprenant des batteries de tubes parallèles, disposés en plusieurs rangées, dans lesquelles chaque tube est relié aux deux tubes adjacents de la même rangée, par un tissu de matériau conducteur de la chaleur, en contact thermique avec chacun des deux tubes tout au long d'une génératrice On the basis of this principle, it has been proposed in particular exchangers comprising banks of parallel tubes, arranged in several rows, in which each tube is connected to the two adjacent tubes of the same row, by a fabric of heat conductive material, in thermal contact with each of the two tubes along a generator
de celui-ci.of it.
Pour réaliser un changeur de ce type, on a pu par exemple confectionner le tissu de fils de To make a changer of this type, we could for example make the fabric of
matériau conducteur en y introduisant à intervalles réguliers un tube à la place d'un fil. conductive material by introducing a tube at regular intervals in place of a wire.
Au lieu d'un tissu de fils de matériau conducteur, on peut aussi concevoir de placer entre un tube et les deux tubes adjacents de la même rangée une plaque perforée en contact -2- thermique avec chacun des deux tubes qu'elle relie, tout au long d'une génératrice de Instead of a fabric of wires of conductive material, it is also conceivable to place between a tube and the two adjacent tubes of the same row a perforated plate in thermal contact with each of the two tubes which it connects, while along a generator of
celui-ci, ladite plaque perforée étant réalisée dans un matériau conducteur de chaleur. the latter, said perforated plate being made of a heat conductive material.
Les inconvénients des dispositifs décrits ci-dessus sont principalement le coût élevé d'un tissu de matériau conducteur; et la perte de matière dans la réalisation d'une plaque perforée de matériau conducteur. On a maintenant découvert qu'il était possible de réaliser des échangeurs de chaleurs du type décrit ci-dessus qui ne présentent pas les inconvénients précités, en utilisant comme éléments conducteurs de la chaleur des plaques de métal déployé selon les dispositions qui seront décrites ci-après, le métal déployé ayant un très faible coût comparé aux tissages et The disadvantages of the devices described above are mainly the high cost of a fabric of conductive material; and the loss of material in the production of a perforated plate of conductive material. It has now been discovered that it is possible to produce heat exchangers of the type described above which do not have the abovementioned drawbacks, by using expanded metal plates as heat conducting elements according to the arrangements which will be described below. after, the expanded metal having a very low cost compared to weaving and
permettant, en outre, par rapport aux plaques perforées, d'éviter la perte de matière. making it possible, moreover, with respect to the perforated plates, to avoid the loss of material.
Ainsi, les échangeurs de chaleur de la présente invention peuvent être définis d'une manière générale en ce qu'ils comprennent une pluralité de tubes substantiellement parallèles et pouvant être associés en rangées, pour la circulation d'un premier fluide participant à l'échange (plus particulièrement un liquide), et caractérisés en ce que chaque tube d'une desdites rangées est relié aux deux tubes adjacents de la même rangée (sauf pour les tubes extrêmes des rangées, qui n'ont qu'un tube adjacent dans la même rangée) par une plaque de métal déployé solidaire ou rendue solidaire de chacun des deux tubes qu'elle relie, le long d'une génératrice de celui-ci; ces échangeurs de chaleur étant en outre caractérisés en ce que les plaques reliant les tubes sont formées d'une seule pièce d'un Thus, the heat exchangers of the present invention can be generally defined in that they comprise a plurality of substantially parallel tubes which can be associated in rows, for the circulation of a first fluid participating in the exchange (more particularly a liquid), and characterized in that each tube of one of said rows is connected to the two adjacent tubes of the same row (except for the end tubes of the rows, which have only one adjacent tube in the same row) by an expanded metal plate secured to or made integral with each of the two tubes that it connects, along a generator thereof; these heat exchangers being further characterized in that the plates connecting the tubes are formed in one piece of a
bout à l'autre d'une même rangée de tubes, cette pièce étant adaptée à former par elle- end to end of the same row of tubes, this part being adapted to form by itself-
même au moins une partie desdits tubes ou à les recevoir en contact intime, le second fluide (plus particulièrement un gaz) circulant à l'extérieur des tubes dans une direction even at least a part of said tubes or receiving them in intimate contact, the second fluid (more particularly a gas) circulating outside the tubes in a direction
globalement perpendiculaire aux dites plaques de métal déployé, à travers leurs orifices. generally perpendicular to said expanded metal plates, through their orifices.
L'invention sera décrite plus particulièrement en liaison avec les figures annexées, dans lesquelles: la figure l A représente une bande de métal servant d'élément de base dans les diverses -3 - variantes d'exécution de l'invention; et la figure 1 B est une vue en coupe selon B-B d'une partie de la bande représentée sur la figure l A; les figures 2 A et 2 B, 3 A et 3 B, 4 A et 4 B représentent diverses variantes d'exécution d'une rangée de tubes selon l'invention; les figures 5 A et 5 B représentent en coupes transversales deux formes particulières de la section des tubes; les figures 6 A, 6 B et 6 C représentent plusieurs dispositions particulières des rangées de tubes; et la figure 7 représente schématiquement un mode de réalisation particulière d'un échangeur The invention will be described more particularly in conjunction with the appended figures, in which: FIG. 1A represents a metal strip serving as a basic element in the various embodiments of the invention; and Figure 1 B is a sectional view along B-B of a portion of the strip shown in Figure l A; Figures 2 A and 2 B, 3 A and 3 B, 4 A and 4 B show various alternative embodiments of a row of tubes according to the invention; Figures 5 A and 5 B show in cross sections two particular shapes of the section of the tubes; Figures 6 A, 6 B and 6 C show several particular arrangements of the rows of tubes; and FIG. 7 schematically represents a particular embodiment of an exchanger
selon l'invention.according to the invention.
Dans les diverses variantes d'exécution de l'invention, pour réaliser les rangées de tubes reliés deux à deux par des plaques de métal déployé, on utilise des bandes de métal déployé telles que 1 (fig l A) présentant une alternance de portions perforées 2 (métal déployé proprement dit) et de portions non perforées ou continues 3, ces portions continues étant destinées à former au moins une portion des tubes ou à recevoir des tubes préformés, pour In the various alternative embodiments of the invention, to make the rows of tubes connected two by two by expanded metal plates, strips of expanded metal are used such as 1 (fig l A) having alternating perforated portions 2 (expanded metal proper) and non-perforated or continuous portions 3, these continuous portions being intended to form at least a portion of the tubes or to receive preformed tubes, for
la circulation du premier fluide (fig l A). circulation of the first fluid (fig l A).
Selon une première variante, les portions non perforées 3 sont mises sous forme de sur- According to a first variant, the non-perforated portions 3 are put in the form of an overlay.
faces substantiellement semi-cylindriques 4, comme représenté sur les figures 2 A et 2 B, par substantially semi-cylindrical faces 4, as shown in FIGS. 2 A and 2 B, by
exemple par emboutissage, ces surfaces substantiellement semicylindriques recevant cha- example by stamping, these substantially semi-cylindrical surfaces receiving each
cune un tube cylindrique préformé 5, rendu solidaire de la surface substantiellement semi- cune a preformed cylindrical tube 5, made integral with the substantially semi-surface
cylindrique au contact de laquelle il se trouve, par divers moyens permettent la meilleure conduction thermique possible entre les parties métalliques en contact, par exemple par cylindrical in contact with which it is located, by various means allow the best possible thermal conduction between the metallic parts in contact, for example by
soudage, par brasage ou par collage. welding, soldering or gluing.
Dans une autre variante, représentée par les figures 3 A et 3 B, on met les portions non perforées 3 de la bande 1 sous la forme de demi- tubes 6, par exemple par emboutissage, et l'on place en regard desdits demi-tubes 6 des demi-tubes complémentaires 7, confectionnés séparément, que l'on rend solidaires des demi-tubes 6 par tout moyen permettant de réaliser l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur des tubes ainsi formés, par exemple par -4- soudage, par brasage ou par collage des rebords des demi-tubes en vis-à-vis, ou encore par In another variant, represented by FIGS. 3 A and 3 B, the non-perforated portions 3 of the strip 1 are put in the form of half-tubes 6, for example by stamping, and one places opposite said half-tubes. tubes 6 of the complementary half-tubes 7, made separately, which are made integral with the half-tubes 6 by any means allowing sealing between the inside and the outside of the tubes thus formed, for example by -4 - welding, by brazing or gluing the edges of the half-tubes facing each other, or by
serrage avec interposition de joints tout au long desdits rebords en visà-vis. tightening with interposition of seals along said facing flanges.
Une autre variante, représentée par les figures 4 A et 4 B, associe en vis-à-vis, pour chaque rangée de tubes, deux bandes de métal déployé 8 et 9 comportant comme les bandes 1 de la figure l A, des parties perforées (respectivement 10 et 11) et des parties non perforées (respectivement 12 et 13), chacune de ces bandes 8 et 9 étant formée, par exemple par emboutissage, de manière à présenter une pluralité de demi-tubes (respectivement 14 et 15) d'axes substantiellement parallèles, les portions de bande entre deux demi-tubes adjacents correspondant aux parties perforées 10 et 11 étant mises en forme par exemple lors de l'emboutissage, de telle sorte qu'au niveau de ces portions perforées, les deux bandes de métal déployé en vis-à-vis ne soient pas en contact l'une avec l'autre, mais séparées d'une distance notée d lorsque les deux demi-tubes 14 et 15 en vis-à-vis sont pour leur part en contact l'un avec l'autre, par leurs rebords Les deux bandes associées en vis-à- vis sont rendues solidaires l'une de l'autre par tout moyen permettant de réaliser l'étanchéité entre l'intérieur et l'extérieur de chaque tube formé par l'association de deux demi-tubes en vis-à-vis, par exemple par soudage, par brasage ou par collage des parties homologues en contact, ou encore par serrage avec interposition de joints tout au long desdites parties homologues. Dans les variantes d'exécution des structures d'échange de l'invention décrites plus haut, on a essentiellement considéré des tubes de section circulaire Sans sortir du cadre de Another variant, represented by FIGS. 4 A and 4 B, combines opposite, for each row of tubes, two strips of expanded metal 8 and 9 comprising, like the strips 1 of FIG. 1 A, perforated parts (respectively 10 and 11) and non-perforated parts (respectively 12 and 13), each of these bands 8 and 9 being formed, for example by stamping, so as to present a plurality of half-tubes (respectively 14 and 15) d 'substantially parallel axes, the strip portions between two adjacent half-tubes corresponding to the perforated portions 10 and 11 being shaped for example during stamping, so that at these perforated portions, the two strips of metal deployed opposite are not in contact with each other, but separated by a distance denoted d when the two half-tubes 14 and 15 facing each other are in contact with each other, by their edges The two bands associated in vis-à-vis are made integral with each other by any means allowing the sealing between the inside and the outside of each tube formed by the association of two half-tubes facing each other screws, for example by welding, by brazing or by gluing the homologous parts in contact, or even by tightening with interposition of seals along said homologous parts. In the variant embodiments of the exchange structures of the invention described above, we have essentially considered tubes of circular cross section Without going outside the scope of
l'invention, on peut envisager que les sections des tubes aient toute autre forme, rectan- the invention, it is conceivable that the sections of the tubes have any other shape, rectan-
gulaire, par exemple carrée, ou hexagonale, comme représenté sur les figures 5 A et 5 B. Les structures d'échange thermique selon l'invention comprennent une pluralité de rangées de tubes telles que décrites plus haut Ces diverses rangées peuvent être parallèles entre elles comme représenté schématiquement sur les figures 6 A, 6 B et 6 C, les rangées pouvant en outre être disposées les unes par rapport aux autres de manière que les tubes soient gular, for example square, or hexagonal, as shown in FIGS. 5 A and 5 B. The heat exchange structures according to the invention comprise a plurality of rows of tubes as described above These various rows can be parallel to one another as shown schematically in Figures 6 A, 6 B and 6 C, the rows can further be arranged relative to each other so that the tubes are
disposés en quinconce (fig 6 A) ou alignés entre les différentes rangées (fig 6 B et 6 C). arranged in staggered rows (fig 6 A) or aligned between the different rows (fig 6 B and 6 C).
Dans ce dernier cas, il peut être intéressant de donner aux tubes des sections rectangulaires, par exemple carrées, ou hexagonales, pour permettre aux diverses rangées successives -5 - d'être justaposées les unes aux autres tout au long des faces planes des tubes, lorsque l'on a besoin que la structure d'échange consiste en un empilement Une telle possibilité est illustrée par la figure 6 C. In the latter case, it may be advantageous to give the tubes rectangular, for example square, or hexagonal sections, to allow the various successive rows -5 - to be right next to each other along the plane faces of the tubes, when the exchange structure is required to consist of a stack. Such a possibility is illustrated in FIG. 6 C.
Dans la description qui précède, on a envisagé l'utilisation de bandes de métal déployé In the above description, the use of strips of expanded metal has been considered.
dont les portions perforées 2 ont le profil représenté sur la figure 1 B, qui résulte du mode de réalisation du métal déployé, par un poinçonnage suivi d'un étirage des plaques de métal Comme on le voit sur la figure 1 B, les parties perforées des plaques ne sont pas planes, chaque lanière étant en décrochement par rapport à la lanière adjacente On peut utiliser tout métal déployé connu présentant diverses formes de lanières, que l'on pourra adapter à la construction des dispositifs de l'invention selon les caractéristiques d'échange thermique et de perte de charge considérées dans chaque dispositif De plus, dans le cadre de l'invention, on peut envisager d'utiliser des bandes de métal déployé dont les parties whose perforated portions 2 have the profile shown in Figure 1B, which results from the embodiment of the expanded metal, by punching followed by drawing of the metal plates As seen in Figure 1B, the perforated parts plates are not planar, each strap being in an offset relative to the adjacent strap. Any known expanded metal having various shapes of strips can be used, which can be adapted to the construction of the devices of the invention according to the characteristics of the invention. heat exchange and pressure drop considered in each device In addition, in the context of the invention, it is possible to envisage using strips of expanded metal, the parts of which
perforées ont été aplaties sous presse. perforated were flattened in press.
Les bandes de métal déployé qui sont à la base des rangées de tubes des dispositifs de l'invention (telles que 1 sur la figure l A), peuvent être constituées de divers métaux présentant des propriétés variées, par exemple de conductivité thermique, de résistance The strips of expanded metal which are at the base of the rows of tubes of the devices of the invention (such as 1 in FIG. 1A), can be made of various metals having varied properties, for example thermal conductivity, resistance
mécanique, ou de résistance à la corrosion. mechanical, or corrosion resistance.
On peut citer par exemple: le fer, l'acier et tous ses alliages, des métaux non ferreux tels que le nickel, le cuivre, l'aluminium et tous les produits métallurgiques que l'on peut obtenir sous forme de rouleaux, bandes ou feuilles de faible épaisseur Il est en outre possible, pour conférer aux dispositifs de l'invention une bonne résistance à la corrosion, notamment au contact de certains gaz, de traiter le métal déployé utilisé, en particulier par un revêtement protecteur, par exemple en Téflon (marque déposée) L'utilisation de tels revêtements qui peuvent être hydrophobes peut être avantageuse également dans le cas d'échangeurs à condensation, dans lesquels l'eau de condensation pourra s'écouler sans We can cite for example: iron, steel and all its alloys, non-ferrous metals such as nickel, copper, aluminum and all metallurgical products which can be obtained in the form of rolls, strips or thin sheets It is also possible, to give the devices of the invention good resistance to corrosion, in particular in contact with certain gases, to treat the expanded metal used, in particular with a protective coating, for example made of Teflon (registered trademark) The use of such coatings which may be hydrophobic can also be advantageous in the case of condensing exchangers, in which the condensation water can flow without
stagnation le long de surfaces ainsi revêtues. stagnation along surfaces thus coated.
Dans les échangeurs de chaleur considérés dans l'invention, on peut réaliser un échange thermique entre deux fluides circulant à courants croisés, l'un dans les tubes, l'autre à l'extérieur des tubes dans une direction globalement perpendiculaire aux parties perforées 6 - In the heat exchangers considered in the invention, it is possible to carry out a heat exchange between two fluids circulating at cross currents, one in the tubes, the other outside the tubes in a direction generally perpendicular to the perforated parts 6 -
des plaques de métal déployé, entre les tubes. expanded metal plates between the tubes.
Le fluide circulant dans les tubes peut être plus particulièrement un liquide à réchauffer ou à refroidir, le fluide circulant à l'extérieur des tubes pouvant être plus particulièrement The fluid circulating in the tubes can more particularly be a liquid to be heated or cooled, the fluid circulating outside the tubes can be more particularly
de l'air à refroidir ou à réchauffer, respectivement. air to be cooled or heated, respectively.
Les moyens d'amenée et d'évacuation de chacun des deux fluides seront adaptés aux types d'échange considérés En particulier, le fluide circulant dans les tubes devra y être amené The means of supply and evacuation of each of the two fluids will be adapted to the types of exchange considered. In particular, the fluid circulating in the tubes must be brought there.
et en être évacué par un système de distribution et par un système de collecte appropriés. and be disposed of by an appropriate distribution system and collection system.
D'autre part, mis à part le cas o le fluide circulant à l'extérieur des tubes est l'air ambiant (à réchauffer ou à refroidir), l'ensemble de la structure d'échange pourra être placé dans une enceinte étanche 16 munie d'un conduit d'amenée 17 et d'un conduit d'évacuation 18 du fluide devant circuler à l'extérieur des tubes, comme représenté sur la figure 7 Dans le cas représenté, les moyens d'amenée et d'évacuation du fluide circulant dans les tubes consiste en des conduits 19 et 20 raccordés respectivement aux deux faces 21 et 22 de l'enceinte 16, perpendiculaires à la direction des tubes 23, lesdites faces 21 et 22 étant l 5 percées de trous 24 de communication avec les tubes 23 qui, de cette façon, traversent On the other hand, apart from the case where the fluid circulating outside the tubes is ambient air (to be heated or cooled), the entire exchange structure may be placed in a sealed enclosure 16 provided with a supply pipe 17 and a discharge pipe 18 for the fluid which must circulate outside the tubes, as shown in FIG. 7 In the case shown, the means for supplying and removing the fluid circulating in the tubes consists of conduits 19 and 20 connected respectively to the two faces 21 and 22 of the enclosure 16, perpendicular to the direction of the tubes 23, said faces 21 and 22 being pierced with holes 24 for communication with the tubes 23 which, in this way, pass through
ladite enceinte 16 de part en part.said enclosure 16 right through.
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1991
- 1991-10-28 EP EP19910402881 patent/EP0539638B1/en not_active Expired - Lifetime
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