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EP0117829B1 - Echangeur de chaleur à tuyaux - Google Patents

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EP0117829B1
EP0117829B1 EP84440006A EP84440006A EP0117829B1 EP 0117829 B1 EP0117829 B1 EP 0117829B1 EP 84440006 A EP84440006 A EP 84440006A EP 84440006 A EP84440006 A EP 84440006A EP 0117829 B1 EP0117829 B1 EP 0117829B1
Authority
EP
European Patent Office
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tubes
diameter
coils
pipes
coiled
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EP84440006A
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German (de)
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EP0117829A1 (fr
EP0117829B2 (fr
Inventor
Daniel Zündel
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=9286314&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0117829(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
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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
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/355—Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/40—Shell enclosed conduit assembly
    • Y10S165/44—Coiled conduit assemblies
    • Y10S165/441—Helical

Definitions

  • the present invention relates to the field of construction of thermal machines, in particular heat pumps, and relates to a pipe heat exchanger.
  • the heat exchangers currently existing, of the condenser or evaporator type, are generally constituted by a coil arranged in a heat exchange chamber, in which the coil transmits the heat or cooling energy which it transports to the fluid in change of state, which surrounds it.
  • DE-A-2 736 489 also discloses a heat exchanger comprising pipes. substantially equal lengths, and of the same diameter, which are wound in concentric tubes around a core and in one direction of winding.
  • the pipes of these tubes are not, however, contiguous, but are connected to an intermediate screen serving, moreover, for heat exchange.
  • FR-A-1 523 810 describes an embodiment with pipes of relatively large lengths, not allowing free axial expansion in the event of accidental freezing, when the exchanger is used as an evaporator.
  • FR-A-1 321 766 discloses a heat exchanger, constituted by coils in concentric tubes of pipes, but whose pipes are of unequal lengths, these tubes being, moreover, kept at regular spacing by means spacers.
  • This exchanger has substantially the same characteristics as that object of FR-A-1 523 810 and has the same drawbacks as the latter.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks.
  • a heat exchanger with pipes essentially constituted by pipes arranged in an annular chamber formed by a core and by an external envelope, the pipes of the annular chamber all having equal lengths, being wound in form of concentric tubes around the core, each tube consisting of one or more pipes wound on the same generator, the number of tubes increasing with the winding diameter of the tube, the tubes being wound in different steps, the turns strands being contiguous, or practically contiguous, and leaving only a minimum space for the passage of the fluid in change of state to be heated or cooled, characterized in that the strands are wound in an alternating reverse manner, in that the pipes have a diameter and a length allowing rapid flow velocities, and a diameter less than six times their wall thickness, and are made up of killed so as to present neither a blind spot, nor a change in diameter, on the path in contact with the fluid in change of state, and their ends open, by means of short bends, with an internal radius approximately equal to 1, 25 diameter, outside the annul
  • the figure of the appended drawing shows, by way of example, the heat exchanger according to the invention, which essentially consists of pipes 1 arranged in an annular chamber 2 formed by a core 3 and by an outer casing 4.
  • the pipes of this exchanger all have identical lengths and are wound around the core 3 in the form of contiguous concentric strands which have different pitches, and which are wound in alternating reverse fashion.
  • These tubes each consist of one or more pipes 1 wound on the same generator, and the number of pipes 1 is a function of the coil winding diameter, and increases with said diameter.
  • the turns of the strands thus wound are contiguous, or practically contiguous, so as to leave only a minimum space for the passage of the fluid in change of state to be heated or cooled, while providing a maximum exchange surface.
  • the pipes 1 are advantageously in large number and have a relatively small diameter and length, allowing, even at low flow rates, relatively rapid flow rates resulting in good heat exchange.
  • the passage of the liquid in pipes 1 of small diameter allows an increase in the exchange surface for a given flow rate, so that the thermal efficiency of the exchanger is improved compared to an exchanger comprising a small number of large pipes.
  • pipes 1 all having an identical length also makes it possible to standardize the flow rates and pressure drops in said pipes.
  • the embodiment according to the invention therefore ensures an identical change in temperature of the liquid for the pipes, which is very important from the thermodynamic point of view.
  • the free space 5 between the tubes 5 in the annular chamber 2 is reduced to a minimum, which is sufficient for absorb the relatively low mass flow rates of the fluid in change of state in the evaporator or the condenser, these flow rates being much lower than those of the liquid circulating in the pipes 1 and with which the heat exchange takes place.
  • the exchanger according to the invention when used in the form of an evaporator, the preferred position of which is the vertical position, the boiling liquid is in the lower part and the vapors are discharged in the part superior.
  • the fluid subjected to the change of state generally entails a part of the lubricating oil of the compressor, which must therefore be constantly brought back to the latter.
  • the oil-refrigerant mixture is subjected to a distillation as a result of which the non-volatile oil tends to remain and accumulate in the lower part of the evaporator.
  • the invention makes it possible to avoid this accumulation thanks to the reduction in the available volume of the annular chamber 2, which has the effect of causing a forced vertical routing of the oil in the form of droplets or mist entrained by the vapors, which evolve at relatively high speeds.
  • the pipes 1 have a diameter less than six times their wall thickness, and are formed so as to have neither dead angle nor change in diameter, on the path in contact with the fluid in change of state, and their ends open, by means of short elbows 7 with an internal radius approximately equal to 1.25 diameter, outside the annular chamber 2 in the fluid flow tube 6, in a direction parallel to this tube and to the direction of flow of the liquid at the inlet and at the outlet of the exchanger.
  • Such an embodiment makes it possible to avoid, in the event of accidental freezing of the liquid in the pipes 1, destruction of the latter, the pipes 1 resisting the pressure and the bead of frozen liquid expanding axially.
  • the exchanger according to the invention is more particularly intended for use in refrigeration machines in the form of an evaporator or a condenser, in which the heat exchange takes place between a liquid circulating in the pipes 1 and a fluid in change of state through the annular space 3.

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Description

  • La présente invention concerne le domaine de la construction des machines thermiques, en particulier des pompes de chaleur, et a pour objet un échangeur de chaleur à tuyaux.
  • Les échangeurs de chaleur existant actuellement, du type condenseur ou évaporateur, sont généralement constitués par un serpentin disposé dans une chambre d'échange de chaleur, dans laquelle le serpentin transmet l'énergie calorifique ou frigorifique qu'il transporte au fluide en changement d'état, qui l'environne.
  • Toutefois, dans ces échangeurs connus les pertes de charge dans les circuits primaire et secondaire sont sensibles et ces échangeurs nécessitent un dimensionnement important pour permettre un bon rendement calorifique, ce dimensionnement se répercutant entièrement en hausse sur le prix de revient de tels échangeurs.
  • Il a été proposé d'obvier à ces inconvénients par la réalisation d'un échangeur de chaleur constitué par un enroulement en spirale d'une nappe de tuyaux jointifs disposée dans une chambre annulaire délimitée par un tube intérieur formant le noyau de l'enroulement, et par un tube extérieur enveloppant l'enroulement.
  • Cependant, un tel échangeur ne permet pas des débits et des pertes de charges uniformes dans les tuyaux le constituant du fait de la différence de longueur existant nécessairement entre les tuyaux intérieurs.et les tuyaux extérieurs, de sorte que son rendement thermique est également affecté.
  • On connaît également, par DE-A-2 736 489, un échangeur de chaleur comportant des tuyaux de . longueurs sensiblement égales, et de même diamètre, qui sont enroulés en boudins concentriques autour d'un- noyau et dans un seul sens d'enroulement. Les tuyaux de ces boudins ne sont cependant pas jointifs, mais sont reliés à un grillage intermédiaire servant, en outre, à l'échange de chaleur.
  • En outre, dans DE-A-2 736 489, les intervalles entre les tuyaux des différents enroulements concentriques de boudins, sont variables, de sorte que les caractéristiques de circulation du fluide de chauffage ne sont pas identiques en tous points de l'échangeur.
  • Il est également connu, par FR-A-1 523 810 un échangeur thermique constitué par des enroulements concentriques non jointifs de boudins de tuyaux.
  • Dans un tel échangeur, la circulation du fluide en changement d'état à l'extérieur des tuyaux s'effectue quasiment de manière verticale du fait de la disposition même des boudins concentriques non jointifs.
  • Un tel mode de réalisation ne permet cependant pas l'obtention d'un effet thermodynamique optimal.
  • En outre, FR-A-1 523 810 décrit une réalisation avec des tuyaux de longueurs relativement importantes, ne permettant pas une libre expansion axiale en cas de gel accidentel, lors d'une utilisation de l'échangeur comme évaporateur.
  • Par ailleurs, on connaît par FR-A-1 321 766 un échangeur de chaleur, constitué par des enroulements en boudins concentriques de tuyaux, mais dont les tuyaux sont de longueurs inégales, ces boudins étant, en outre, maintenus à espacement régulier au moyen d'écarteurs.
  • Cet échangeur présente sensiblement les mêmes caractéristiques que celui objet de FR-A-1 523 810 et présente les mêmes inconvénients que ce dernier.
  • La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients.
  • Elle a, en effet, pour objet un échangeur de chaleur à tuyaux, essentiellement constitué par des tuyaux disposés dans une chambre annulaire formée par un noyau et par une enveloppe extérieure, les tuyaux de la chambre annulaire présentant tous des longueurs égales, étant enroulés en forme de boudins concentriques autour du noyau, chaque boudin étant constitué d'un ou de plusieurs tuyaux enroulés sur une même génératrice, le nombre de tuyaux augmentant avec le diamètre d'enroulement du boudin, les boudins étant enroulés suivant des pas différents, les spires des boudins étant jointives, ou pratiquement jointives, et ne laissant subsister qu'un espace minimum pour le passage du fluide en changement d'état à réchauffer ou à refroidir, caractérisé en ce que les boudins sont enroulés de manière inverse alternée, en ce que les tuyaux présentent un diamètre et une longueur permettant des vitesses d'écoulement rapides, et un diamètre inférieur à six fois leur épaisseur de paroi, et sont constitués pour ne présenter ni angle mort, ni changement de diamètre, sur le parcours en contact avec le fluide en changement d'état, et leurs extrémités débouchent, par l'intermédiaire de coudes courts, d'un rayon intérieur environ égal à 1,25 diamètre, à l'extérieur de la chambre annulaire dans le tube d'écoulement du fluide, suivant une direction parallèle à ce tube et à la direction d'écoulement du liquide à l'entrée et à la sortie de l'échangeur.
  • L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence au dessin schématique annexé, dont la figure unique est une vue partiellement arrachée, et partiellement en coupe d'un échangeur conforme à l'invention.
  • La figure du dessin annexé, montre à titre d'exemple, l'échangeur de chaleur conforme à l'invention, qui est essentiellement constitué par des tuyaux 1 disposés dans une chambre annulaire 2 formée par un noyau 3 et par une enveloppe extérieure 4. Les tuyaux de cet échangeur présentent tous des longueurs identiques et sont enroulés autour du noyau 3 en forme de boudins concentriques jointifs qui présentent des pas différents, et qui sont enroulés de manière inverse alternée. Ces boudins sont constitués chacun d'un ou de plusieurs tuyaux 1 enroulés sur une même génératrice, et le nombre des tuyaux 1 est fonction du diamètre d'enroulement du boudin, et augmente avec ledit diamètre.
  • Les spires des boudins ainsi enroulés sont jointives, ou pratiquement jointives, de manière à ne laisser subsister qu'un espace minimum pour le passage du fluide en changement d'état à réchauffer ou à refroidir, tout en offrant une surface d'échange maximale.
  • Les tuyaux 1 sont avantageusement en grand nombre et présentent un diamètre et une longueur relativement faibles, permettant, même à de faibles débits, des vitesses d'écoulement relativement rapides ayant pour effet un bon échange de chaleur. Le passage du liquide dans des tuyaux 1 de faible diamètre permet une augmentation de la surface d'échange pour un débit donné, de sorte que le rendement thermique de l'échangeur est amélioré par rapport à un échangeur comportant un petit nombre de grands tuyaux.
  • La prévision de tuyaux 1 présentant tous une longueur identique permet, en outre, une uniformisation des débits et des pertes de charge dans lesdits tuyaux.
  • Le mode de réalisation conforme à l'invention assure donc un changement de température du liquide identique pour les tuyaux, qui est très important du point de vue thermodynamique.
  • Du fait de la disposition concentrique et jointive des boudins de tuyaux 1 et de l'enroulement jointif de ces derniers sur chaque boudin, l'espace libre 5 entre les tuyaux 5 dans la chambre annulaire 2 est réduit à un minimum, qui est suffisant pour absorber les débits massiques relativement faibles du fluide en changement d'état dans l'évaporateur ou le condenseur, ces débits étant beaucoup plus faibles que ceux du liquide circulant dans les tuyaux 1 et avec lesquels s'effectue l'échange de chaleur.
  • En outre, dans le cas d'utilisation de l'échangeur selon l'invention sous forme d'un évaporateur, dont la position privilégiée est la position verticale, le liquide en ébullition est dans la partie inférieure et les vapeurs sont évacuées dans la partie supérieure. Dans les circuits frigorifiques, le fluide soumis au changement d'état entraîne généralement une partie de l'huile de lubrification du compresseur, qui doit donc être ramenée en permanence à ce dernier. Cependant, dans les évaporateurs connus, le mélange huile - fluide frigorifique est soumis à une distillation à la suite de laquelle l'huile non volatile a tendance à rester et à s'accumuler dans la partie inférieure de l'évaporateur.
  • L'invention permet d'éviter cette accumulation grâce à la réduction du volume disponible de la chambre annulaire 2, qui a pour effet d'entraîner un cheminement vertical forcé de l'huile sous forme de gouttelettes ou de brouillard entraînés par les vapeurs, qui évoluent à des vitesses relativement élevées.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, les tuyaux 1 présentent un diamètre inférieur à six fois leur épaisseur de paroi, et sont constitués pour ne présenter ni angle mort ni changement de diamètre, sur le parcours en contact avec le fluide en changement d'état, et leurs extrémités débouchent, par l'intermédiaire de coudes courts 7 d'un rayon intérieur environ égal à 1,25 diamètre, à l'extérieur de la chambre annulaire 2 dans le tube 6 d'écoulement du fluide, suivant une direction parallèle à ce tube et à la direction d'écoulement du liquide à l'entrée et à la sortie de l'échangeur.
  • Un tel mode de réalisation permet d'éviter, en cas de gel accidentel du liquide dans les tuyaux 1, une destruction de ces derniers, les tuyaux 1 résistant à la pression et le cordon de liquide gelé se dilatant axialement.
  • L'échangeur conforme à l'invention est plus particulièrement destiné à être utilisé dans des machines frigorifiques sous forme d'évaporateur ou de condenseur, dans lequel l'échange de chaleur s'effectue entre un liquide circulant dans les tuyaux 1 et un fluide en changement d'état traversant l'espace annulaire 3.

Claims (1)

  1. Echangeur de chaleur à tuyaux, essentiellement constitué par des tuyaux (1) disposés dans une chambre annulaire (2) formée par un noyau (3) et par une enveloppe extérieure (4), les tuyaux (1) de la chambre annulaire (2) présentant tous des longueurs égales, étant enroulés en forme de boudins concentriques autour du noyau (3), chaque boudin étant constitué d'un ou de plusieurs tuyaux (1) enroulés sur une môme génératrice, le nombre de tuyaux (1) augmentant avec le diamètre d'enroulement du boudin, les boudins étant enroulés suivant des pas différents, les spires des boudins étant jointives, ou pratiquement jointives, et ne laissant subsister qu'un espace minimum pour le passage du fluide en changement d'état à réchauffer ou à refroidir, caractérisé en ce que les boudins son enroulés de manière inverse, alternée, en ce que les tuyaux (1) présentent un diamètre et une longueur permettant des vitesses d'écoulement rapides, et un diamètre inférieur à six fois leur épaisseur de paroi, et sont constitués pour ne présenter ni angle mort, ni changement de diamètre, sur le parcours en contact avec le fluide en changement d'état, et leurs extrémités débouchent, par l'intermédiaire de coudes courts (7), d'un rayon intérieur environ égal à 1,25 diamètre, à l'extérieur de la chambre annulaire (2) dans le tube (6) d'écoulement du fluide, suivant une direction parallèle à ce tube et à la direction d'écoulement du liquide à l'entrée et à la sortie de l'échangeur.
EP84440006A 1983-02-24 1984-02-23 Echangeur de chaleur à tuyaux Expired - Lifetime EP0117829B2 (fr)

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EP0117829B1 true EP0117829B1 (fr) 1988-01-07
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