FR2817332A1 - Serpentin tubulaire a deux etages d'enroulements en spirale, echangeur de chaleur mettant en oeuvre un tel serpentin et procede de fabrication du serpentin - Google Patents
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Abstract
Le serpentin tubulaire pour échangeur thermique, présente un axe central x-x', une face intérieure et une face extérieure et comprend : - une première spire en forme de spirale, reliée à une première branche de raccordement du serpentin à une installation et située en partie au moins dans un plan perpendiculaire à l'axe x-x', - une dernière spire en forme de spirale, reliée à une deuxième branche de raccordement du serpentin à une installation, et située en partie au moins dans un plan perpendiculaire à l'axe x-x' et distant du plan de la première spire, et - au moins un élément de liaison entre la première spire et la dernière spire. La première spire et la dernière spire sont reliées à leur branche de raccordement respective au niveau d'une même face du serpentin.
Description
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L'invention concerne le domaine technique des échangeurs thermiques destinés à permettre des échanges de calories entre deux fluides.
Dans le domaine ci-dessus, l'invention concerne plus particulièrement mais non exclusivement les échangeurs utilisés pour la préparation d'eau chaude sanitaire par circulation d'un fluide caloporteur à l'intérieur d'un serpentin tubulaire qui plonge dans une cuve calorifugée contenant l'eau à chauffer.
De manière générale, le serpentin comprend un ou plusieurs enroulements en forme de spirale ou d'hélice. Afin d'augmenter les performances du serpentin et plus particulièrement la surface d'échange avec l'eau à chauffer, le serpentin comprend le plus souvent au moins deux enroulements. Ainsi, la demande EP-0 825 386 a proposé de mettre en oeuvre un serpentin comprenant deux étages de spires enroulées en spirale autour de l'axe central du serpentin. La première spire de l'étage inférieur est reliée au niveau d'une face extérieure du serpentin à une première branche de raccordement du serpentin à une installation de chauffage, tandis que la dernière spire du deuxième étage est reliée au niveau de la face intérieure du serpentin à une deuxième branche de raccordement du serpentin à l'installation. Enfin, selon ce document, le premier et le deuxième étages sont raccordés par un élément de liaison raccordé à l'étage inférieur au niveau de la face extérieure du serpentin et à l'étage supérieur au niveau de la face intérieure du serpentin.
Un tel serpentin donne pleinement satisfaction en ce qu'il concerne sa fonction d'échangeur de chaleur entre le liquide circulant à l'intérieur du serpentin et le liquide dans lequel plonge le serpentin.
Toutefois, la structure du serpentin n'est pas pleinement satisfaisante dans la mesure où les deux branches de raccordement du serpentin, à une installation de chauffage central par exemple, sont situées d'une part au niveau de la face intérieure du serpentin et d'autre part au niveau de la face extérieure de sorte que ces deux branches sont particulièrement éloignées l'une de l'autre et qu'il est alors nécessaire de les cintrer pour rapprocher leurs extrémités de raccordement et permettre ainsi un raccordement à l'installation de chauffage dans un espace faible volume.
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Par ailleurs, la structure adoptée impose de réaliser le serpentin en fabriquant, d'une part, l'étage inférieur de spires enroulées en spirale et, d'autre part, l'étage supérieur de spires enroulées en spirale puis de procéder ultérieurement au raccordement de deux étages d'enroulement de spires au moyen de l'élément de liaison qui doit alors être raccordé par soudure aux deux étages de spires. Or, l'exécution de cette opération de soudage sur le serpentin impose ensuite de contrôler la qualité de la soudure et d'effectuer un test du serpentin afin d'éliminer tout risque de fuite au niveau du raccordement entre le premier et le deuxième étages de spires du serpentin. Or, le contrôle des soudures et le test du serpentin augmentent de manière significative le prix de revient d'un serpentin et le risque de fuite ne peut être complètement écarté.
Il apparaît donc le besoin de disposer d'un serpentin présentant une structure qui, d'une part, permet de réduire l'espace de raccordement du serpentin à une installation de fourniture en fluide caloporteur et, d'autre part, est adaptée à une fabrication sans soudure.
Afin d'atteindre ces objectifs, l'invention concerne un serpentin pour échangeur thermique présentant un axe x-x', une face intérieure et une face extérieure et comprenant : une première spire en forme de spirale, reliée à une première branche de raccordement du serpentin à une installation et située en partie au moins dans un plan perpendiculaire à l'axe x-x', - une dernière spire en forme de spirale, reliée à une deuxième branche de raccordement du serpentin à une installation, et située en partie au moins dans un plan perpendiculaire à l'axe x-x'et distant du plan de la première spire, et - au moins un élément de liaison entre la première spire et la dernière spire.
Selon l'invention, le serpentin est caractérisé en ce que la première spire et la dernière spire sont reliées à leur branche de raccordement respective au niveau d'une même face du serpentin.
Selon une caractéristique de l'invention, la première et la dernière spires sont reliées à leur branche de raccordement respective au niveau de la face intérieure du serpentin.
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Selon une autre caractéristique de l'invention, la première spire et la dernière spire sont reliées à leur branche de raccordement respective au niveau de la face extérieure du serpentin.
Selon une forme préférée de réalisation du serpentin, ce dernier comprend au moins deux étages de spires disposées en spirale de préférence mais non exclusivement en forme de spirale d'Archimède.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le serpentin comprend au moins deux étages de spires successives concentriques, de forme générale rectangulaire.
Selon une caractéristique préférée de l'invention, le serpentin est constitué de la première à la dernière spires par un élément tubulaire continu tel que par exemple mais non exclusivement un tube métallique.
L'invention concerne également un échangeur thermique destiné à permettre des échanges thermiques entre deux fluides et mettant en oeuvre un serpentin conforme à l'invention. Un tel échangeur thermique comprend alors une cuve qui est raccordée, d'une part, à une canalisation d'arrivée d'un premier fluide et, d'autre part, à une canalisation de sortie de ce premier fluide et dans laquelle est disposée un serpentin conforme à l'invention dont la première branche et la deuxième branche s'étendent en dehors de la cuve et sont destinées à être raccordées à une canalisation d'arrivée et à une canalisation de sortie du deuxième fluide.
De manière préférée, le serpentin est adapté dans la cuve pour que ses spires soient placées en partie basse de l'échangeur.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un serpentin réalisé à partir d'un unique élément tubulaire.
Selon l'invention, le procédé de fabrication du serpentin consiste notamment à : - réaliser, à partir d'un élément tubulaire, au moins une épingle sensiblement en U présentant deux branches reliées par une âme, les extrémités libres de l'épingle étant destinées à définir les branches de raccordement du serpentin, - enrouler l'épingle sur elle-même sensiblement en spire pour former le serpentin d'axe x-x'.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé de fabrication d'un serpentin pour échangeur thermique à partir d'un seul élément tubulaire consiste notamment à :
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- mettre en oeuvre un élément tubulaire, - enrouler l'élément tubulaire sur lui-même à partir d'une région centrale pour définir au moins deux étages d'enroulement en spirale qui forment le serpentin et qui présentent chacun une extrémité libre destinée à former une branche de raccordement du serpentin.
Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description ci-dessus en référence aux dessins qui présentent différents exemples non limitatifs de réalisation de l'invention et de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'un serpentin conforme à l'invention.
La figure 1 est une vue schématique d'un échangeur thermique mettant en oeuvre un serpentin tubulaire conforme à l'invention.
La figure 2 est une coupe longitudinale du serpentin de l'échangeur tel qu'illustré à la figure 1.
La figure 3 est une coupe transversale selon la ligne 111-111 de la figure 2.
La figure 4 est une élévation schématique d'un élément tubulaire mis en oeuvre pour la fabrication, conformément au procédé selon l'invention, du serpentin tel qu'illustré à la figure 1.
La figure 5 est une perspective illustrant une variante de réalisation d'un serpentin conforme à l'invention.
La figure 6 illustre une autre forme possible pour un élément tubulaire destiné à la réalisation d'un serpentin tubulaire conformément au procédé selon l'invention.
La figure 7 est une coupe longitudinale d'un serpentin tubulaire obtenu à partir de l'élément tel qu'illustré à la figure 6.
La figure 8 illustre une autre forme de réalisation d'un élément tubulaire plan, destiné à la fabrication d'un serpentin conforme à l'invention.
La figure 9 est une vue schématique analogue à la figure 1, montrant une autre forme de réalisation d'un serpentin tubulaire, selon l'invention, disposé à l'intérieur d'un échangeur thermique.
La figure 10 illustre encore une autre forme de réalisation d'un serpentin tubulaire selon l'invention, obtenue grâce à une variante de mise en oeuvre du procédé de fabrication selon l'invention.
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Un échangeur thermique, destiné à permettre des échanges thermiques entre deux fluides, conforme à l'invention tel qu'illustré à la figure 1 et désigné dans son ensemble par la référence 1, comprend une cuve 2 raccordée, d'une part, à une canalisation d'arrivée 3 et, d'autre part, à une canalisation de sortie 4 d'un premier fluide. Les canalisations 3 et 4 sont, par exemple, destinées à être raccordées à une canalisation d'alimentation en eau potable et à une canalisation de distribution d'eau lorsque l'échangeur thermique est utilisé pour la préparation et le stockage d'eau chaude sanitaire. Afin d'assurer une isolation thermique de la cuve 2, l'échangeur 1 comprend généralement un calorifugeage non représenté, entourant la cuve.
Pour assurer le chauffage de l'eau contenue dans la cuve, l'échangeur 1 comprend, en outre, un serpentin tubulaire 5 disposé de préférence de manière à être placé en partie basse de la cuve et à baigner dans le liquide contenu dans la cuve 2. Comme cela ressort plus particulièrement des figures 2 et 3, l'échangeur 5 présente un axe central x-x'autour duquel s'entourent deux étages 6,7 de spires en forme de spirale. Les spires d'un premier étage 6 sont sensiblement toutes situées dans un premier plan P, sensiblement perpendiculaire à l'axe x-x'tandis que les spires du deuxième étage 7 sont toutes sensiblement situées dans un deuxième plan P2 perpendiculaire à l'axe x-x'et distant du plan P,. En fonction d'une position par rapport à l'axe central x-x', il est possible de définir une face intérieure 1 et une face extérieure E du serpentin 5.
Selon l'exemple illustré, les deux étages 6 et 7 d'enroulement sont raccordés par un élément de liaison 8 formant un coude présentant la forme d'un U et s'étendant sensiblement selon un plan vertical au niveau de la face intérieure du serpentin 5. Par ailleurs, la première spire 9 du serpentin et la dernière spire 10 sont chacune reliées respectivement à une première branche 11 et une deuxième branche 12 de raccordement du serpentin à une installation telle que par exemple une installation de chauffage non représentée. Bien entendu, le serpentin est adapté dans la cuve 2 de manière que les branches de raccordement 11,12 traversent la cuve 2 pour que leur extrémité soit accessible depuis l'extérieur de la cuve.
Comme cela ressort de la figure 3 et conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, les première 9 et dernière 10 spires sont reliées à leur branche de raccordement respective 11 et 12 au
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niveau d'une même face du serpentin et selon l'exemple illustré au niveau de la face extérieure E. Cette disposition de l'invention permet, de manière avantageuse, de placer à proximité l'une de l'autre, les première et deuxième branches de raccordement afin que leurs extrémités soient situées au voisinage l'une de l'autre pour permettre un raccordement aisé du serpentin 5 à une installation de fourniture en fluide caloporteur.
Le serpentin 5, tel que décrit précédemment, est fabriqué conformément à l'invention de la manière suivante.
Tout d'abord, une épingle 15 sensiblement en U telle qu'illustrée à la figure 4 est fabriquée à partir d'un élément tubulaire continu tel que par exemple un tube en acier de type E24.2/RST 37.2 de diamètre extérieur 33,7 mm et d'épaisseur 2 mm. L'épingle 15 présente deux branches 16,17 sensiblement parallèles et reliées à une extrémité par une âme 18 arrondie. Les extrémités libres 19,20 respectivement des branches 16 et 17 situées à l'opposé de l'âme 18, sont conformées pour définir les branches de raccordement du serpentin 5. Selon l'exemple illustré, les deux extrémités libres 19 et 20 sont cintrées à angle droit pour définir les deux branches de raccordement 11,12 sensiblement parallèles.
Le serpentin 5 est ensuite formé à partir de l'épingle 15 en enroulant celle-ci sur elle-même à partir de l'âme 18. Cet enroulement est, par exemple mais non nécessairement, réalisé en plaçant l'âme 18 sur un mandrin et en enroulant progressivement l'épingle 15 de manière à obtenir deux étages d'enroulement de spires en forme de spirale comme illustrées aux figures 2 et 3. Cette façon de procéder présente l'avantage d'obtenir deux étages d'enroulement 6,7 à partir d'un seul élément tubulaire continu sans qu'il soit nécessaire de recourir à une quelconque opération de soudure entre l'un ou l'autre des éléments constitutifs du serpentin 5.
Cette absence de soudure garantit alors la parfaite étanchéité du serpentin 5.
Selon l'exemple illustré décrit précédemment, les extrémités libres de l'épingle 15 sont cintrées pour réaliser les branches de raccordement du serpentin avant la mise en forme, de spirale, des branches de l'épingle. Toutefois, le cintrage des branches de raccordement pourrait intervenir après la mise en forme des spires.
Comme cela ressort des figures 2 et 3, lorsqu'il est procédé à l'enroulement de l'épingle 15 sur elle-même en commençant par l'âme 18,
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cette dernière se trouve alors au niveau de la face intérieure 1 du serpentin 5 tandis que les branches de raccordement 11, 12 se trouvent au niveau de la face extérieure E du serpentin. Toutefois, il pourrait être envisagé de procéder autrement en enroulant l'épingle 15 sur elle-même à partir des extrémités libres 19 et 20 des branches 16 et 17. Dans ce cas, les branches de raccordement 11,12 du serpentin 5 seraient placées et reliées à la première 9 et dernière 10 spires du serpentin, au niveau de la face intérieure 1 de ce dernier, tandis que le raccordement des deux étages de spires par l'âme 18 formant l'élément de liaison 8 se trouverait placé au niveau de la face extérieure E du serpentin comme illustré à la figure 5.
Par ailleurs, selon l'exemple illustré à la figure 5, l'âme de raccordement 18, formant l'élément de liaison 8 entre les deux étages du serpentin, est réalisée sous la forme d'une sorte de lyre de dilatation. Cette manière de procéder permet d'augmenter le rayon de courbure du tube au niveau de l'élément de liaison 8 et d'éviter ainsi des contraintes trop importantes dans le tube.
Selon les exemples précédents, le serpentin 5 est réalisé à partir d'une épingle 15 dont les deux branches sont parallèles. Toutefois, conformément à l'invention, il pourrait être envisagé de réaliser le serpentin 5 à partir d'une épingle dont les deux branches ne seraient pas parallèles.
Ainsi, la figure 6 illustre une épingle 15 dont les deux branches 16,17 ne sont pas parallèles et convergent, l'une vers l'autre, à l'opposé de l'âme de raccordement 18. Le serpentin 5, obtenu à partir de l'épingle telle qu'illustrée à la figure 6, présente alors deux étages d'enroulement de spires en forme de spirale qui ne sont pas situées dans des plans parallèles.
Comme le montre la figure 7, le premier étage d'enroulement 6 est alors situé sensiblement dans un plan perpendiculaire à l'axe x-x'du serpentin tandis que le deuxième étage 7 présente la forme d'une hélice d'axe x-x'.
Dans les exemples ci-dessus, le serpentin est réalisé à partir d'une épingle 15 présentant deux branches. Toutefois, il est possible de réaliser un serpentin conforme à l'invention à partir d'un épingle présentant plus de deux branches parallèles. Ainsi la figure 8 présente un exemple d'épingle 15 réalisée à partir d'un seul élément tubulaire pour présenter la forme d'un boustrophédon et comprendre six branches parallèles, reliées entre elles successivement par des âmes arrondies. Ainsi, l'enroulement de
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l'épingle 15 selon la figure 9 donne naissance à un serpentin présentant six étages de spires en forme de spirale.
Conformément à l'invention, il convient d'entendre le terme spirale au sens large, c'est-à-dire comme désignant tout enroulement sur lui-même de spires successives susceptibles de présenter divers facteurs de forme. Ainsi, la figure 9 illustre un serpentin conforme à l'invention dont les spires présentent une forme générale rectangulaire.
Bien entendu, il pourrait être envisagé d'autres formes d'enroulement compatibles avec les caractéristiques mécaniques du tube constitutives de l'élément tubulaire conformé pour l'obtention du serpentin selon l'invention.
Enfin, conformément à l'invention, le serpentin 15 pourrait ne pas être réalisé à partir d'une épingle mais, au contraire, à partir d'un élément tubulaire dont les deux branches opposées sont enroulées sur elles-mêmes pour constituer les deux étages d'enroulement en forme de spirale comme illustrés à la figure 10.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.
Claims (17)
- REVENDICATIONS 1. Serpentin tubulaire pour échangeur thermique, présentant un axe central x-x', une face intérieure (1) et une face extérieure (E) et comprenant : une première spire (9) en forme de spirale, reliée à une première branche (11) de raccordement du serpentin à une installation et située en partie au moins dans un plan (P,) perpendiculaire à l'axe x-x', - une dernière spire (10) en forme de spirale, reliée à une deuxième branche (12) de raccordement du serpentin à une installation, et située en partie au moins dans un plan (P2) perpendiculaire à l'axe x-x'et distant du plan (P,) de la première spire, et - au moins un élément de liaison (8) entre la première spire et la dernière spire. caractérisé en ce que la première spire (9) et la dernière spire (10) sont reliées à leur branche de raccordement respective (11,12) au niveau d'une même face (1 ou E) du serpentin.
- 2. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première spire (9) et la dernière spire (10) sont reliées à leur branche de raccordement respective (11,12) au niveau de la face intérieure (1) du serpentin.
- 3. Serpentin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première spire (9) et la dernière spire (10) sont reliées à leur branche de raccordement respective (11, 12) au niveau de la face extérieure (E) du serpentin.
- 4. Serpentin selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux étages (6,7) de spires disposés en spirale.
- 5. Serpentin selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux étages (6,7) de spires successives concentriques de forme générale rectangulaire.
- 6. Serpentin selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que deux étages successifs (6,7) de spires sont reliés par un élément de liaison<Desc/Clms Page number 10>(8) en forme de U situé au niveau de la face intérieure (1) ou extérieure (E) du serpentin.
- 7. Serpentin selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que deux étages successifs sont reliés par un élément de liaison (8) en forme d'hélice.
- 8. Serpentin selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est constitué de la première spire à la dernière spire par un élément tubulaire continu.
- 9. Echangeur thermique destiné permettre des échangeurs thermiques entre deux fluides comprenant une cuve (2) qui est raccordée, d'une part, à une canalisation d'arrivée (3) d'un premier fluide et, d'autre part, à une canalisation de sortie (4) de ce premier fluide et dans laquelle est disposé un serpentin selon l'une des revendications 1 à 8, dont la première branche (11) et la deuxième branche (12) s'étendent en dehors de la cuve et sont destinées à être raccordées à une canalisation d'arrivée et à une canalisation de sortie du deuxième fluide.
- 10. Echangeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le serpentin (5) est adapté dans la cuve (2) pour que ses spires soient placées en partie basse.
- 11. Procédé de fabrication d'un serpentin pour échangeur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste notamment à : - réaliser, à partir d'un élément tubulaire, au moins une épingle (15) sensiblement en U présentant au moins deux branches reliées par une âme (18), les extrémités libres (19,20) de l'épingle (15) étant destinées à définir les branches de raccordement (11,12) du serpentin (5), - enrouler l'épingle (15) sur elle-même sensiblement en spirale pour former le serpentin à l'axe x-x'.
- 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il consiste à : mettre en forme les extrémités libres de l'épingle pour définir les branches de raccordement du serpentin, - enrouler l'épingle sur elle-même en plaçant les branches (11,12) de raccordement à l'intérieur de l'enroulement.<Desc/Clms Page number 11>
- 13. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler l'épingle (15) sur elle-même en plaçant l'âme (18) de l'épingle à l'intérieur de l'épingle.
- 14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler l'épingle (15) en faisant varier continûment le rayon de courbure de l'enroulement.
- 15. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler l'épingle en conférant aux spires successives une forme sensiblement rectangulaire.
- 16. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler l'épingle de manière à définir au moins deux étages de spires sensiblement coplanaires.
- 17. Procédé de fabrication d'un serpentin pour échangeur thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à : mettre en oeuvre un élément tubulaire, - enrouler l'élément tubulaire sur lui-même à partir d'une région centrale pour définir au moins deux étages d'enroulement en spirale qui forment le serpentin et qui présentent chacun une extrémité libre destinée à former une branche de raccordement du serpentin.
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