FR2910120A1

FR2910120A1 - Inlet radiator tank for tubular heat exchanger of motor vehicle, has inlet nozzle for entering and exiting coolant emerging from tank across arch, where arch includes deflectors forming V-shape and arranged on both sides of outlet of nozzle

Info

Publication number: FR2910120A1
Application number: FR0610959A
Authority: FR
Inventors: Isabelle Riollet; Olivier Leray
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-14
Also published as: FR2910120B1

Abstract

The tank (10) has an arch (11), and an inlet nozzle (12) for entering and exiting coolant emerging from the tank across the arch. The arch includes deflectors (111a, 111b) forming V-shape and arranged on both sides of an outlet of the nozzle in the tank, where the angle of the deflectors forming the V shape is 90 degrees. Longitudinal deflectors (112a, 112b) are arranged parallel to an axis of the arch on both sides of the deflectors (111a, 111b).

Description

BOITE A EAU POUR ECHANGEUR DE CHALEUR ET ECHANGEUR DE CHALEUR COMPORTANTWATER BOX FOR HEAT EXCHANGER AND HEAT EXCHANGER COMPRISING

UNE TELLE BOITE A EAU La présente invention concerne une boîte à eau pour un échangeur de chaleur. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des systèmes d'échange de chaleur dans les véhicules automobiles, notamment les radiateurs de refroidissement des moteurs à haut débit d'entrée de fluide caloporteur, de l'ordre de 15 000 I/h par exemple. On connaît aujourd'hui des échangeurs de chaleur pour véhicules automobiles constitués par un faisceau de tubes disposés parallèlement sur une ou plusieurs rangées, ces tubes étant destinés à la circulation à travers io l'échangeur d'un fluide caloporteur, tel que de l'eau additionnée de glycol dans le cas des radiateurs de refroidissement de moteurs. L'eau en refroidissant les organes du moteur s'échauffe et doit à son tour être refroidie. C'est le rôle du radiateur d'assurer cette fonction. A cet effet, l'eau à refroidir est mise en circulation dans les tubes du radiateur et se refroidit par échange thermique 15 avec de l'air frais, l'échange thermique étant réalisé par l'intermédiaire d'éléments d'échange de chaleur disposés entre les tubes. Selon la technologie d'assemblage de l'échangeur de chaleur, on distingue différents types d'éléments d'échange de chaleur. Lorsque l'assemblage est mécanique, les éléments d'échange de 20 chaleur sont des ailettes parallèles traversées par les tubes de circulation dans des trous pratiqués dans les ailettes. Le maintien de l'ensemble est réalisé mécaniquement au moyen d'un outil introduit à l'intérieur des tubes de manière à déformer les parois des tubes et les appliquer à force contre les trous pratiqués dans les ailettes. This invention relates to a water box for a heat exchanger. The invention finds a particularly advantageous application in the field of heat exchange systems in motor vehicles, in particular the cooling radiators of engines with a high flow rate of heat transfer fluid, of the order of 15,000 I / h. for example. Heat exchangers for motor vehicles are known today consisting of a bundle of tubes arranged in parallel on one or more rows, these tubes being intended for circulation through the exchanger of a heat transfer fluid, such as water with added glycol in the case of engine cooling radiators. The water cooling the engine components heats up and must in turn be cooled. It is the role of the radiator to perform this function. For this purpose, the water to be cooled is circulated in the tubes of the radiator and is cooled by heat exchange with fresh air, the heat exchange being effected by means of heat exchange elements. arranged between the tubes. Depending on the assembly technology of the heat exchanger, there are different types of heat exchange elements. When the assembly is mechanical, the heat exchange elements are parallel fins traversed by the circulation tubes in holes in the fins. The maintenance of the assembly is carried out mechanically by means of a tool inserted inside the tubes so as to deform the walls of the tubes and forcibly apply them against the holes made in the fins.

2910120 2 Une autre technologie d'assemblage est le brasage des tubes sur des éléments d'échange de chaleur constitués par des intercalaires placés entre les tubes. En général, ces intercalaires sont réalisés sous forme de surface ondulée, les tubes étant brasés sur les intercalaires au niveau des sommets 5 des ondulations. L'invention s'applique aussi bien aux échangeurs à assemblage mécanique qu'aux échangeurs à assemblage par brasage. Le fluide caloporteur est introduit dans les tubes de circulation par l'intermédiaire d'un boîtier de distribution placé à l'entrée du faisceau de tubes io et muni d'une tubulure d'arrivée du fluide. Un boîtier du même type est installé à la sortie de l'échangeur pour recueillir le fluide après traversée de tubes et l'évacuer à l'extérieur à travers une tubulure de sortie. De manière habituelle, le boîtier de distribution de fluide est constitué de deux parties, à savoir une boîte collectrice de fluide, appelée aussi boîte 15 à eau et un élément collecteur. L'élément collecteur est une pièce en contact avec le faisceau de tubes et porte des orifices destinés à recevoir l'extrémité des tubes débouchant dans le boîtier de distribution. Un joint assurant l'étanchéité entre la boîte à eau et le faisceau de tubes est disposé sur l'élément collecteur. Des trous sont prévus dans le joint pour le passage 20 étanche des tubes. Les extrémités des tubes dépassent à l'intérieur de la boîte à eau. Le dépassement atteint 2 à 3 mm environ pour les faisceaux de tubes à assemblage mécanique. Il est sensiblement plus faible pour les faisceaux brasés. La boîte à eau forme un couvercle pour l'élément collecteur et définit un 25 volume de fluide en circulation à l'entrée comme à la sortie de l'échangeur. Dans la majorité des échangeurs, les boîtes à eau présentent une voûte ouverte en forme de U, l'élément collecteur venant fermer le U soit par sertissage, soit par soudage dans le cas où le collecteur est en matière plastique, comme la boîte à eau elle-même. C'est à travers une paroi de la 30 voûte que la tubulure d'arrivée ou de sortie de fluide débouche dans la boîte à eau.Another assembly technology is the brazing of the tubes on heat exchange elements consisting of spacers placed between the tubes. In general, these spacers are made in the form of a corrugated surface, the tubes being brazed on the spacers at the vertices 5 of the corrugations. The invention applies both to mechanical assembly exchangers and solder-jointed exchangers. The coolant is introduced into the circulation tubes via a distribution box placed at the inlet of the tube bundle and provided with a fluid inlet manifold. A housing of the same type is installed at the outlet of the exchanger to collect the fluid after passing through tubes and evacuate outside through an outlet pipe. Typically, the fluid distribution housing consists of two parts, namely a fluid collection box, also called a water box and a collection element. The collector element is a part in contact with the tube bundle and carries openings for receiving the end of the tubes opening into the distribution box. A seal ensuring the seal between the water box and the tube bundle is disposed on the collector element. Holes are provided in the seal for the sealed passage of the tubes. The ends of the tubes protrude inside the water box. Exceedance is approximately 2 to 3 mm for mechanically assembled tube bundles. It is significantly lower for brazed beams. The water box forms a cover for the collection element and defines a volume of circulating fluid at the inlet and at the outlet of the exchanger. In the majority of the exchangers, the water boxes have an open vault in the shape of a U, the collecting element coming to close the U is by crimping, or by welding in the case where the collector is plastic, like the water box herself. It is through a wall of the vault that the fluid inlet or outlet manifold opens into the water box.

2910120 3 L'invention concerne plus spécialement une boîte à eau d'entrée de fluide. Pour de forts débits d'entrée, le flux de fluide à l'intérieur de la boîte à eau présente généralement des vitesses d'écoulement qui, au moins 5 localement, peuvent atteindre des pics très élevés, plus de 8 m/s par exemple. II en résulte que l'écoulement dans la boîte à eau, tel qu'il s'effectue aujourd'hui, est susceptible d'affecter gravement la résistance de l'échangeur aux conditions d'érosion. Plus précisément, on peut observer que les tubes dont les extrémités io se trouvent dans une zone centrale située au voisinage du débouché de la tubulure dans la boîte à eau présentent des dégradations constituées principalement par des trous apparaissant par érosion de la paroi des tubes environ 10 mm au-dessous de l'élément collecteur, ce qui engendre un risque de fuites dans l'échangeur. La formation de ces trous est due à un pic de is vitesse d'écoulement du fluide vers l'intérieur des tubes lié à la réflexion du flux sortant de la tubulure sur la paroi opposée de la voûte. Un autre type de dégradation que peut entraîner la circulation du fluide à grandes vitesses est une érosion des extrémités des tubes dépassant à l'intérieur de la boîte à eau. Dans les zones latérales de la boîte à eau, l'écoulement devient 20 tourbillonnaire avec de fortes composantes de vitesse parallèles à l'axe de la voûte. Il en résulte que les dégradations observées sur les tubes dans ces zones concernent surtout l'érosion et la déformation des extrémités des tubes, ces deux phénomènes étant susceptibles de créer une ouverture dans le joint d'étanchéité et donc de provoquer également des fuites dans l'échangeur.The invention more specifically relates to a fluid inlet water box. For high flow rates, the flow of fluid inside the water box generally has flow speeds which, at least locally, can reach very high peaks, more than 8 m / s, for example . It follows that the flow in the water box, as it is today, is likely to seriously affect the resistance of the exchanger to erosion conditions. More specifically, it can be seen that the tubes whose ends are located in a central zone located in the vicinity of the mouth of the tubing in the water box have degradations consisting mainly of holes appearing by erosion of the wall of the tubes approximately 10. mm below the collector element, which creates a risk of leaks in the exchanger. The formation of these holes is due to a peak of flow velocity of the fluid towards the inside of the tubes related to the reflection of the flow exiting the tubing on the opposite wall of the vault. Another type of degradation that can be caused by the flow of fluid at high speeds is erosion of the ends of the tubes protruding inside the water box. In the lateral zones of the water box, the flow becomes swirling with strong velocity components parallel to the axis of the vault. As a result, the degradations observed on the tubes in these zones mainly concern erosion and deformation of the ends of the tubes, these two phenomena being capable of creating an opening in the seal and thus also causing leaks in the tube. exchanger.

25 Aussi, un but de l'invention est de proposer une boîte à eau, notamment une boite à eau d'entrée, pour un échangeur de chaleur à tubes, ladite boîte à eau comprenant une voûte et une tubulure d'entrée dudit fluide caloporteur débouchant dans la boîte à travers ladite voûte, qui permettrait d'améliorer les conditions d'écoulement dans la boîte à eau de manière à 30 limiter, voire éliminer, les risques de fuites liées aux dégradations hydrodynamiques subies par les tubes.It is also an object of the invention to provide a water box, in particular an inlet water box, for a tube heat exchanger, said water box comprising a vault and an inlet pipe for said heat transfer fluid. opening into the box through said vault, which would improve the flow conditions in the water box so as to limit or eliminate the risk of leakage due to hydrodynamic degradation suffered by the tubes.

2910120 4 Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait notamment que la voûte présente des déflecteurs formant V disposés de part et d'autre du débouché de la tubulure d'entrée dans la boîte. Ainsi, ces déflecteurs formant V ont pour effet, d'une part, de réduire et 5 d'homogénéiser la vitesse du fluide sortant de la tubulure, et, d'autre part, d'orienter l'écoulement en dehors de la zone sensible où les extrémités des tubes débouchent dans la boîte à eau. Les déflecteurs empêchent donc que le fluide injecté dans la tubulure d'entrée ne soit réfléchi sur la voûte et n'atteigne l'intérieur ou l'extrémité des tubes de la zone centrale avec une vitesse to susceptible notamment d'éroder leur paroi et d'y former des trous. Le demandeur a pu établir sur des essais que la présence de déflecteurs formant V pouvait diminuer la vitesse d'impact sur les parois des tubes de la zone centrale de 6,6 m/s à 5,6 m/s, la vitesse au niveau des dépassements des extrémités des tubes étant ramenée de 6,8 m/s à 6,3 m/s.This object is achieved in accordance with the invention, in particular because the roof has deflectors forming V disposed on either side of the outlet of the inlet pipe into the box. Thus, these deflectors forming V have the effect, on the one hand, to reduce and homogenize the velocity of the fluid leaving the tubing, and, on the other hand, to direct the flow outside the sensitive zone where the ends of the tubes open into the water box. The baffles therefore prevent the fluid injected into the inlet pipe is reflected on the roof and reaches the inside or the end of the tubes of the central zone with a velocity to likely including erode their wall and d to form holes. The applicant was able to establish on tests that the presence of V-shaped deflectors could reduce the impact velocity on the walls of the central zone tubes from 6.6 m / s to 5.6 m / s, the speed at the the tube ends being reduced from 6.8 m / s to 6.3 m / s.

15 Selon un mode de réalisation, l'angle desdits déflecteurs formant V est sensiblement égal à 90 . Avantageusement, l'invention prévoit que la boîte à eau comprend en outre des déflecteurs longitudinaux disposés sensiblement parallèlement à l'axe de la voûte, de part et d'autre desdits déflecteurs formant V.According to one embodiment, the angle of said deflectors forming V is substantially equal to 90. Advantageously, the invention provides that the water box further comprises longitudinal deflectors disposed substantially parallel to the axis of the vault, on either side of said deflectors forming V.

20 Ces déflecteurs longitudinaux complémentaires permettent de guider le flux de fluide parallèlement à l'axe de la voûte et donc de le rendre plus laminaire en évitant ainsi la formation de tourbillons à l'origine des dégradations observées sur les tubes des zones latérales de la boîte à eau. L'invention concerne également un échangeur de chaleur à tubes de 25 circulation de fluide caloporteur, remarquable en ce qu'il comprend une boîte à eau d'entrée selon l'invention. Selon l'invention, ledit échangeur de chaleur présentant une rangée de tubes d'axe parallèle à l'axe de la voûte, lesdits déflecteurs longitudinaux sont disposés en regard de ladite rangée de tubes.These complementary longitudinal deflectors make it possible to guide the flow of fluid parallel to the axis of the vault and thus to make it more laminar, thus avoiding the formation of vortices at the origin of the deteriorations observed on the tubes of the lateral zones of the box. to water. The invention also relates to a heat exchanger with heat transfer fluid circulation tubes, remarkable in that it comprises an inlet water box according to the invention. According to the invention, said heat exchanger having a row of tubes of axis parallel to the axis of the vault, said longitudinal baffles are arranged opposite said row of tubes.

30 Cette disposition particulière des déflecteurs longitudinaux présente l'avantage de maintenir les pics de vitesse éloignés des dépassements des 2910120 5 extrémités des tubes. Des essais menés par le demandeur ont ainsi montré que la vitesse d'écoulement au niveau de ces dépassements pour des tubes en zone latérale pouvait être réduite de 8,2 m/s à 5,9 m/s, ceci grâce à la présence des déflecteurs longitudinaux.This particular arrangement of the longitudinal baffles has the advantage of keeping the velocity peaks away from the tube end overruns. Tests carried out by the applicant have shown that the flow velocity at the level of these overflows for lateral zone tubes can be reduced from 8.2 m / s to 5.9 m / s, thanks to the presence of longitudinal deflectors.

5 En résumé, la présence de déflecteurs à l'intérieur de la boîte à eau permet d'obtenir une réduction du niveau de la vitesse d'écoulement de l'ordre de 2 m/s et de délocaliser les pics de vitesse loin des dépassements des extrémités des tubes. Ainsi, le demandeur a pu constater que la résistance d'un échangeur aux conditions d'érosion pouvait être multipliée par un facteur io 3, un test ayant révélé une tenue mécanique supérieure à 1 000 heures pour un radiateur avec déflecteurs au lieu de 333 heures pour le même radiateur sans déflecteurs. II faut par ailleurs souligner que la présence de déflecteurs intérieurs permet également de renforcer la tenue mécanique de la boîte à eau 15 conforme à l'invention du fait de la rigidité induite par les déflecteurs et que la perte de charge interne équivalente de l'échangeur peut être améliorée de 1 à 2%. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste 20 l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue de dessous d'une boîte à eau conforme à l'invention. La figure 2 est une vue de côté de la boîte à eau de la figure 1. La figure 3 est une vue en perspective de la boîte à eau des figures 1 et 25 2. La figure 4 est une vue en coupe transversale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention selon la ligne X-X des figures 1 et 2. La figure 5 est une vue en coupe transversale d'un échangeur de chaleur conforme à l'invention selon la ligne Y-Y des figures 1 et 2.In summary, the presence of baffles inside the water box makes it possible to obtain a reduction in the level of the flow velocity of the order of 2 m / s and to relocate the peaks of velocity away from overshoots. ends of the tubes. Thus, the applicant has found that the resistance of an exchanger to the erosion conditions could be multiplied by a factor io 3, a test having revealed a mechanical strength greater than 1000 hours for a radiator with deflectors instead of 333 hours for the same radiator without baffles. It should also be emphasized that the presence of inner baffles also makes it possible to reinforce the mechanical strength of the water box according to the invention because of the stiffness induced by the baffles and that the equivalent internal pressure drop of the heat exchanger can be improved from 1 to 2%. The following description with reference to the accompanying drawings, given as non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be achieved. Figure 1 is a bottom view of a water box according to the invention. Figure 2 is a side view of the water box of Figure 1. Figure 3 is a perspective view of the water box of Figures 1 and 2. Figure 4 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to the invention along the line XX of Figures 1 and 2. Figure 5 is a cross-sectional view of a heat exchanger according to the invention along the line YY of Figures 1 and 2.

2910120 6 Sur les figures 1, 2 et 3 est représentée une boîte à eau, et plus particulièrement une boite à eau d'entrée 10 pour un échangeur de chaleur à tubes de circulation de fluide caloporteur. La boîte à eau 10 comprend une voûte 11 en matière plastique moulée 5 dont la section présente une forme en U et à travers laquelle débouche une tubulure 12 d'entrée de fluide située sensiblement au milieu de la voûte 11. Comme on le voit plus particulièrement sur les figures 4 et 5, la boîte à eau 10 est destinée à être placée sur un élément collecteur 20 du faisceau de tubes 100 de manière à constituer un volume fermé pour le fluide entrant dans to la boîte 10 par la tubulure 12. Un joint 21 est disposé sur l'élément collecteur 20 afin d'assurer l'étanchéité de la boîte au niveau des tubes 100. Les figures 1, 2 et 3 montrent la présence sur la voûte 11 de deux déflecteurs 111a, Ill b formant V situés dans une zone centrale, de part et d'autre du débouché de la tubulure 12 dans la boîte 10. Sur l'exemple de 15 réalisation représenté, les déflecteurs Ill a et Ill b forment un angle de l'ordre de 90 . Par ailleurs, des déflecteurs longitudinaux 112a, 112b sont disposés le long de la voûte, parallèlement à son axe A, dans des zones latérales, de part et d'autre des déflecteurs 111 a et 111 b.In FIGS. 1, 2 and 3 is shown a water box, and more particularly an inlet water box 10 for a heat exchanger with heat transfer fluid circulation tubes. The water box 10 comprises a vault 11 made of molded plastic 5 whose section has a U-shaped shape and through which opens a tubing 12 fluid inlet located substantially in the middle of the arch 11. As seen more particularly in Figures 4 and 5, the water box 10 is intended to be placed on a collector member 20 of the tube bundle 100 so as to constitute a closed volume for the fluid entering the box 10 by the manifold 12. A seal 21 is arranged on the collecting element 20 in order to seal the box at the level of the tubes 100. FIGS. 1, 2 and 3 show the presence on the roof 11 of two baffles 111a, 111b forming V located in a central zone, on either side of the outlet of the tubing 12 in the box 10. In the embodiment shown, the deflectors Ill a and Ill b form an angle of the order of 90. In addition, longitudinal deflectors 112a, 112b are arranged along the vault, parallel to its axis A, in lateral zones, on either side of the deflectors 111a and 111b.

20 Les figures 4 et 5 montrent sur des coupes transversales la partie supérieure d'un échangeur de chaleur comportant une boîte à eau 10 conforme aux figures 1, 2 et 3. On remarquera que les extrémités des tubes 100 sont implantées de manière dissymétrique dans la boîte 10, l'axe B de la rangée de tubes étant décalé, par rapport à l'axe A de la voûte 11, vers la 25 paroi 13 de la voûte 11 située du coté du débouché de la tubulure 12. La figure 5 indique que dans cette configuration dissymétrique les déflecteurs longitudinaux 112a et 112b sont disposés en regard le l'axe B de la rangée de tubes 100. Comme cela a été expliqué plus haut, les déflecteurs en V 111a, 111 b 30 et les déflecteurs longitudinaux 112a, 112b ont pour effet, d'une part, d'abaisser le niveau de la vitesse d'écoulement du fluide dans la boîte 10, et, 2910120 7 d'autre part, de confiner les pics de vitesse dans le volume délimité par la paroi 14 et l'élément collecteur 20, c'est-à-dire loin des dépassements des extrémités 101 de tubes à l'intérieur de la boîte 10, ceci afin de limiter les dégradations provoquées aussi bien par l'érosion des parois des tubes que 5 par la déformation et l'érosion des extrémités 101 des tubes.FIGS. 4 and 5 show, on cross-sections, the upper part of a heat exchanger comprising a water box 10 according to FIGS. 1, 2 and 3. It will be noted that the ends of the tubes 100 are implanted asymmetrically in the box 10, the axis B of the row of tubes being shifted, with respect to the axis A of the roof 11, towards the wall 13 of the roof 11 located on the side of the outlet of the pipe 12. FIG. that in this asymmetric configuration the longitudinal deflectors 112a and 112b are arranged facing the axis B of the row of tubes 100. As explained above, the V-shaped baffles 111a, 111b and the longitudinal deflectors 112a, 112b have the effect, on the one hand, of lowering the level of the flow velocity of the fluid in the box 10, and, on the other hand, of confining the velocity peaks in the volume delimited by the wall 14 and the collector element 20, that is, far from exceeding the ends 101 of tubes inside the box 10, this in order to limit the damage caused both by the erosion of the walls of the tubes and 5 by the deformation and erosion of the ends 101 of the tubes.

Claims

1. Water box (10), in particular an inlet water box, for a tube heat exchanger, said water box comprising a vault (11) and an inlet and / or outlet pipe (12) said heat transfer fluid opening into the box (10) through said vault, characterized in that the vault (11) has deflectors (111a, 111b) forming V disposed on either side of the outlet of the tubing (12) in the box (10).

2. Water box according to claim 1, wherein the angle of said deflectors (111a, 111b) forming V is substantially equal to 90. 15

3. water box according to one of claims 1 or 2, further comprising longitudinal baffles (112a, 112b) disposed substantially parallel to the axis (A) of the arch (11), on either side of said deflectors (111a, 111b) forming V.

4. tube heat exchanger, characterized in that it comprises an inlet water box (10) according to any one of claims 1 to 3.

5. Heat exchanger according to claim 4, having a row of tubes (100) of axis (B) parallel to the axis (A) of the vault (11), wherein said longitudinal deflectors (112a, 112b). are arranged opposite the axis (B) of said row of tubes. 30