FR3038977B1 - Echangeur de chaleur a ailettes comprenant des persiennes ameliorees - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un échangeur de chaleur comprenant : - au moins une rangée de tubes (2), - au moins une ailette (4) disposée transversalement à ladite rangée de tubes (2); les tubes étant reliés à l'ailette (4) par serrage des tubes (2) dans un collet (6) ménagé dans l'ailette (4) ; et - au moins une rangée (10) de persiennes (12), ménagée dans l'ailette (4) et intercalée entre deux tubes (2) de la rangée de tubes. L'ailette (4) étant de forme générale plane rectangulaire, le rapport entre le nombre de persiennes (12) et la largeur de l'ailette (4) est compris entre 0,73 et 1,13.

Description

La présente invention concerne un échangeur de chaleur, et plus particulièrement un échangeur de chaleur de type mécanique.
Un échangeur de chaleur comprend généralement des tubes, dans lesquels un fluide caloporteur est destiné à circuler, et des éléments d'échange de chaleur reliés à ces tubes.
On distingue habituellement des échangeurs de chaleur de type brasé et de type mécanique selon leur procédé de fabrication.
Dans un échangeur de chaleur de type mécanique, les éléments d'échange de chaleur, appelés dans ce cas « ailettes >>, sont reliés aux tubes de la façon suivante. Tout d’abord, on forme dans les ailettes des trous de passage des tubes. Ces trous de passage sont généralement délimités chacun par un bord tombé formant un col. Puis, on dispose les ailettes sensiblement parallèlement entre elles et on enfile chaque tube dans une série de trous alignés des ailettes. Enfin, on provoque une expansion radiale des tubes en passant un outil d’expansion à l'intérieur de ces tubes de façon à lier mécaniquement les tubes et les ailettes par sertissage, les cols délimitant les trous de passage des tubes formant alors des collets serrés autour les tubes.
Afin d’augmenter l’échange de chaleur entre les ailettes et le flux d’air, on ménage habituellement sur les ailettes, qui ont une forme générale plane rectangulaire, des rangées de persiennes formant déflecteur, intercalées entre les tubes d’une même rangée de tubes. Ainsi, le coefficient d’échange convectif est augmenté.
Dans l’art antérieur, le rapport entre le nombre de persiennes et la largeur de chaque ailette est le plus souvent choisi en fonction des possibilités offertes par les outils de fabrication des ailettes et non des performances de l’échangeur de chaleur. L’invention a pour but de proposer un échangeur de chaleur dont les performances d’échange de chaleur sont améliorées. A cet effet, l’invention a pour objet un échangeur de chaleur comprenant : - au moins une rangée de tubes, - au moins une ailette disposée transversalement à ladite rangée de tubes, les tubes étant reliés à l’ailette par serrage des tubes dans un collet ménagé dans l’ailette ; et - au moins une rangée de persiennes, ménagée dans l’ailette et intercalée entre deux tubes de la rangée de tubes, caractérisé en ce que, l’ailette étant de forme générale plane rectangulaire, le rapport entre le nombre de persiennes et la largeur de l’ailette est compris entre 0.73 et 1.13.
On a constaté, de façon surprenante, qu’un rapport entre le nombre de persiennes et la largeur de l’ailette choisi dans cet intervalle précis permet d’augmenter de façon significative les performances d’échange de chaleur, tout en limitant les pertes de charge.
En effet, en-deçà de 0,73, on a observé que la puissance d’échange de chaleur n’est pas satisfaisante. En revanche, au-delà de 1,13, le gain de performance n’est pas intéressant compte tenu de l’augmentation des pertes de charge.
De préférence, le rapport entre le nombre de persiennes et la largeur de l’ailette est compris entre 0,87 et 1, en étant de préférence 0,93.
Le rapport de 0,93 apparaît comme un bon compromis entre puissance de l’échange de chaleur et perte de charge.
Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, l’échangeur comprenant des première et deuxième ailettes superposées, chaque première ailette comprend un trou oblong pour le passage d’un tube et au moins une entretoise d’espacement avec la deuxième ailette, la longueur de chaque rangée de persiennes de chaque ailette étant égale à la longueur du trou oblong, et chaque rangée de persiennes de chaque ailette comprenant une extrémité dite étroite s’étendant entre le trou oblong et l’entretoise d’espacement, le nombre de persiennes de l’extrémité étroite étant un entier.
Ceci permet d’améliorer les performances d’échange de chaleur en insérant le plus de persiennes possible dans l’espace entre les entretoises et le tube.
Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, l’échangeur comprenant des première et deuxième ailettes superposées, chaque première ailette comprenant un trou oblong pour le passage d’un tube et au moins une entretoise d’espacement avec la deuxième ailette, chaque rangée de persiennes de chaque ailette comprenant une extrémité dite étroite s’étendant entre le trou oblong et l’entretoise d’espacement et une extrémité dite large, les extrémités étroites de deux rangées de persiennes consécutives sont agencées respectivement à proximité de bords opposés de l’ailette.
Ceci permet de consacrer une partie plus importante de la surface de l’ailette aux persiennes, ce qui permet d’augmenter encore davantage l’échange thermique entre le flux d’air et l’ailette.
Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, au moins une entretoise comprend deux languettes planes parallèles entre elles.
Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, un angle entre un vecteur d’orientation et un vecteur de référence est compris entre -10 degrés et 20 degrés, le vecteur d’orientation étant un vecteur ayant pour direction une direction sensiblement parallèle à une languette et sensiblement parallèle à l’ailette et ayant pour sens le sens allant de l’extrémité étroite vers l’extrémité large, et un vecteur de référence étant un vecteur ayant pour direction une direction transversale de l’ailette et pour sens le sens allant de l’extrémité étroite vers l’extrémité large, l’angle devenant négatif lorsque le flux d’air, qui est orienté dans le même sens que le vecteur d’orientation, a tendance à s’écarter de la rangée de persiennes, et devenant positif dans le cas contraire.
Dans l’art antérieur, l’angle entre les vecteurs de référence et d’orientation ainsi définis est en général inférieur à -15 degrés, ce qui correspond à une configuration dans laquelle le flux d’air redirigé par une entretoise est dirigé vers le tube le plus proche.
Or, on a constaté qu’orienter chaque entretoise davantage vers la rangée de persiennes, et non vers le tube le plus proche, permet d’augmenter encore davantage l’échange thermique entre le flux d’air et l’ailette. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d’une partie d’une ailette et de tubes d’un échangeur de chaleur selon un premier mode de réalisation de l’invention; - la figure 2 est une vue de dessus de l’ailette de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus d’une rangée de persiennes de l’échangeur de chaleur de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3 montrant une rangée de persiennes d’un échangeur de chaleur selon un deuxième mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue schématique d’un échangeur selon l’invention.
On a représenté sur la figure 5 un échangeur de chaleur 1 de type mécanique destiné à équiper un véhicule automobile. L'échangeur de chaleur comprend une rangée de tubes 2 (représentés tronqués pour des raisons de clarté), dans lesquels un fluide caloporteur classique est destiné à circuler, et des ailettes 4 superposées (dont une seule a été représentée pour des raisons de clarté) reliées à ces tubes 2.
Les tubes 2 sont reliés aux ailettes 4 par serrage des tubes dans des collets 6 ménagés dans les ailettes 4. A cet effet, les ailettes 4 sont munies de trous 8 de passage des tubes. Ces trous de passage 8 ont une forme générale oblongue. Dans la suite, on les appellera trous oblongs 8.
Dans l'exemple décrit, les tubes 2 ont chacun une forme générale allongée et comportent une section sensiblement oblongue. Les tubes 2 sont agencés sensiblement parallèlement entre eux, de façon à former une rangée unique.
Les ailettes 4 ont une forme générale rectangulaire, sensiblement plane, et sont agencées dans l'échangeur de chaleur 1 de façon sensiblement parallèle entre elles et perpendiculaire aux directions longitudinales des tubes 2. L’échangeur 1 est prévu pour être traversé par un flux d’air d’amont en aval, les ailettes 4 étant destinées à s’étendre à travers ce flux. On a représenté par des flèches F la direction de circulation du flux.
Pour augmenter l’échange thermique entre le flux F et les ailettes 4, l’échangeur 1 comprend également des rangées 10 de persiennes 12, ménagées dans chaque ailette 4 et intercalées chacune entre deux tubes 2.
Dans les modes de réalisation présentés aux figures 1 à 4, le rapport entre le nombre de persiennes 12 et la largeur de l’ailette 4 est compris entre 0,73 et 1,13. Le rapport est exprimé en persienne par mm.
De préférence, ce rapport est compris entre 0,87 et 1, et est par exemple égal à 0,93. Ce dernier choix constitue un bon compromis entre performances de l’échangeur de chaleur 1 et pertes de charge.
En effet, des tests ont par exemple permis d’observer qu’avec un rapport au-delà de 1,13, le gain de performance par rapport à un rapport de 0,93 est de 0,4%, ce qui n'est pas intéressant par rapport à l'augmentation de pertes de charges externe qui est de 3,4%. A l’inverse, d’autres tests ont permis de constater qu’avec un rapport inférieur à 0,73 on n’obtient pas une puissance d’échangeur de chaleur satisfaisante car celle-ci diminue, par rapport à un rapport de 0,93, de 3,6%. A l’aide de ces tests, on a déterminé qu’un rapport particulièrement satisfaisant était de 0,93. Au-delà de 1,13, on gagne en puissance mais le coût en termes de pertes de charges est trop important. A l’inverse, en deçà de 0,73 le niveau de puissance est insuffisant. L’échangeur de chaleur 1 comprend également des entretoises 13 d’espacement entre deux ailettes 4 superposées.
Plus particulièrement, les entretoises 13 comprennent deux languettes 14 planes parallèles entre elles.
Les entretoises 13 sont par exemple issues d’un crevé de l’ailette 4.
Dans l’exemple représenté sur les figures, les languettes 14 ont chacune une forme générale de demi-disque.
Dans les modes de réalisation présentés aux figures 1 à 4, la longueur de la rangée 10 de persiennes est égale à la longueur des trous oblongs 8 de passage des tubes 2.
Chaque rangée 10 de persiennes de l’ailette 4 comprend une extrémité 16 dite étroite s’étendant entre le trou oblong 8 et l’entretoise 13 d’espacement.
Du fait de la présence des entretoises 13, les persiennes 18 de l’extrémité étroite 16 sont moins longues que toutes les autres persiennes 12 de la rangée 10.
Pour chaque rangée 10 de persiennes, le nombre de persiennes 18 d’extrémité étroite s’étendant entre le trou 8 et les entretoises 14 est un entier.
Par exemple, comme on peut le voir à la figure 2, exactement trois persiennes 18 d’extrémité étroite s’étendent entre un trou oblong 8 et une entretoise 13.
Par ailleurs, chaque rangée 10 de persiennes 10 de l’ailette 4 comprend une extrémité 20 dite large, dans laquelle dont les persiennes 22 sont plus longues que celles de l’extrémité étroite 16.
Ainsi, sur l’exemple représenté, l’ailette 4 est munie d’une seule entretoise 13 entre deux tubes 2 consécutifs de la rangée de tubes 2, et non deux entre deux tubes 2 consécutifs comme dans l’art antérieur.
Les extrémités étroites 16 de deux rangées 10 de persiennes consécutives sont plus particulièrement agencées respectivement à proximité de bords 24 opposés de l’ailette 4, comme on peut le voir aux figures 1 et 2.
Comme illustré sur les figures 3 et 4, on définit un vecteur d’orientation O comme étant un vecteur ayant pour direction une direction sensiblement parallèle à une languette 14 et l’ailette 4 et ayant pour sens le sens allant de l’extrémité étroite 16 vers l’extrémité large 17.
On définit également un vecteur de référence R comme un vecteur ayant pour direction la direction transversale de l’ailette 4 et pour sens le sens allant de l’extrémité étroite 16 vers l’extrémité large 17.
Dans tous les modes de réalisations représentés sur les figures, l’angle a entre le vecteur d’orientation O et le vecteur de référence R est compris entre -10 degrés et 20 degrés.
On considérera dans ce qui suit que l’angle a devient négatif lorsque le flux d’air F, qui est orienté dans le même sens que le vecteur d’orientation, a tendance à s’écarter de la rangée 10 de persiennes adjacente, c’est-à-dire vers le tube 2 le plus proche de l’entretoise 13 dans les exemples représentés.
En particulier, dans le premier mode de réalisation de l’invention illustré aux figures 1 à 3, cet angle a est nul. Ainsi, les languettes 14 des entretoises 13 sont sensiblement parallèles à la direction transversale de l’ailette 4. L’angle a devient au contraire positif lorsque le flux d’air F redirigé par les entretoises 13 a tendance à se diriger davantage vers la rangée 10 de persiennes adjacente, comme c’est le cas sur la figure 4 qui illustre un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Dans ce deuxième mode de réalisation, l’angle a entre vecteurs d’orientation O et de référence R, est, selon la convention définie ci-dessus, égal à 15 degrés.
Cette dernière configuration donne de bons résultats quant aux performances de l’échangeur de chaleur 1. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation présentés et d'autres modes de réalisation apparaîtront clairement à l'homme du métier.
En particulier, une combinaison des différents modes de réalisation peut également être envisagée pour obtenir les effets recherchés.

Claims (5)

  1. REVENDICATIONS
    1. Echangeur de chaleur comprenant : - au moins une rangée de tubes (2), - au moins des première et deuxième ailettes (4) superposées et disposées transversalement à ladite rangée de tubes (2), chaque première ailette (4) comprenant un trou oblong (8) pour le passage d’un tube (2) et au moins une entretoise (13) d’espacement avec la deuxième ailette (4), les tubes étant reliés à chaque ailette (4) par serrage des tubes (2) dans un collet (6) ménagé dans l’ailette (4) ; et - au moins une rangée (10) de persiennes (12), ménagée dans chaque ailette (4) et intercalée entre deux tubes (2) de la rangée de tubes, caractérisé en ce que, chaque ailette (4) étant de forme générale plane rectangulaire, le rapport entre le nombre de persiennes (12) et la largeur de l’ailette (4) est compris entre 0,73 et 1,13, et en ce que chaque rangée (10) de persiennes de chaque ailette (4) comprend : -une extrémité (16) dite étroite s’étendant entre le trou oblong (8) et l’entretoise (13) d’espacement et - une extrémité (20) dite large, les extrémités étroites (16) de deux rangées (10) de persiennes consécutives étant agencées respectivement à proximité de bords (24) opposés de l’ailette (4).
  2. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel le rapport entre le nombre de persiennes (12) de chaque ailette (14) et la largeur de l’ailette (4) est compris entre 0,87 et 1, en étant de préférence égal à 0,93.
  3. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la longueur de chaque rangée de persiennes (12) de chaque ailette (4) est égale à la longueur du trou oblong (8), et chaque rangée (10) de persiennes de chaque ailette (4) comprend une extrémité (16) dite étroite s’étendant entre le trou oblong (8) et l’entretoise (13) d’espacement, le nombre de persiennes (12) de l’extrémité étroite (16) étant un entier.
  4. 4. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une entretoise (13) comprend deux languettes (14) planes parallèles entre elles.
  5. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, dans lequel un angle (a) entre un vecteur d’orientation (O) et un vecteur de référence (R) est compris entre -10 degrés et 20 degrés, le vecteur d’orientation (O) étant un vecteur ayant pour direction une direction sensiblement parallèle à une languette (14) et sensiblement parallèle à l’ailette (4) et ayant pour sens le sens allant de l’extrémité étroite (16) vers l’extrémité large (17), et le vecteur de référence (R) étant un vecteur ayant pour direction une direction transversale de l’ailette (4) et pour sens le sens allant de l’extrémité étroite (16) vers l’extrémité large (17), l’angle (a) devenant négatif lorsque le flux d’air (F), qui est orienté dans le même sens que le vecteur d’Orientation (O), a tendance à s’écarter de la rangée (10) de Persiennes, et devenant positif dans le cas contraire.
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