FR2579313A1

FR2579313A1 - Heat-exchanger with double curved pipe

Info

Publication number: FR2579313A1
Application number: FR8603638A
Authority: FR
Inventors: Frank Etzold
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1986-03-14
Publication date: 1986-09-26
Also published as: CH672677A5; FR2579313B1; DE3510049A1; DE3510049C2

Abstract

The heat-exchanger between two media comprises a double curved or spiral pipe with inner and outer pipes. At bending areas, the cross-section of the inner pipe (2) is such as to give a low bending resistance in relation to the centre (4) about which the double pipe is bent. It can be elliptical, with the minor axis extending in the direction of the centre. Alternatively the bending areas of the inner pipe can be spaced apart, so that the inner pipe runs in a polygonal pattern inside the outer one.

Description

Echangeur de chaleur à tube double coudé
L'invention concerne un échangeur de chaleur pour deux fluides en forme de tube double coudé ou en hélice, constitué d'un tube intérieur et d'un tube extérieur.Double bent tube heat exchanger
The invention relates to a heat exchanger for two fluids in the form of a bent or helical double tube, consisting of an inner tube and an outer tube.

Les échangeurs de chaleur à tubes doubles sont connus depuis long- temps. Leur mode de conception est basé sur le principe du refroidisseur de Liebig, utilisé depuis 1870 en chimie. Du fait de leurs bonnes propriétés thermodynamiques, ils sont également appelés "échangeurs de chaleur à grande puissance" ; d'après leur structure, on les nomme aussi "échangeurs de chaleur coaxiaux". Double tube heat exchangers have been known for a long time. Their design method is based on the principle of the Liebig cooler, used since 1870 in chemistry. Due to their good thermodynamic properties, they are also called "high power heat exchangers"; according to their structure, they are also called "coaxial heat exchangers".

On a construit de nombreuses variantes d'échangeurs de chaleur à tubes doubles. La forme la plus simple s'obtient en enrobant un tron çon de tube droit d'un deuxième tube de section supérieure. Une chambre d'enveloppe étanchéifiée aux extrémités est ainsi créée entre les parois du tube intérieur et du tube extérieur. Many variants of double tube heat exchangers have been constructed. The simplest form is obtained by wrapping a straight tube section with a second tube of upper section. An envelope chamber sealed at the ends is thus created between the walls of the inner tube and the outer tube.

Une caractéristique essentielle de ce type d'échangeurs de chaleur est que le fluide présent dans la chambre d'enveloppe n'est pas au repos, mais est constamment remplacé. Le fluide présent dans le tube intérieur connaît iui-aussi un mouvement d'écoulement. I1 est ici avantageux que les sens d'écoulement des fluides de la chambre d'enveloppe et du tube intérieur soient opposés. On parle alors éga liement d'un "échangeur de chaleur à contre-courant". An essential characteristic of this type of heat exchanger is that the fluid present in the casing chamber is not at rest, but is constantly replaced. The fluid present in the inner tube also experiences a flow movement. It is advantageous here for the directions of flow of the fluids from the envelope chamber and the inner tube to be opposite. This is also called a "counter-current heat exchanger".

La puissance calorifique d'un échangeur de chaleur à tube double est proportionnelle à la longueur du tube enrobé. Afin d'obtenir la longueur de tube nécessaire pour une puissance calorifique élevée, on emploie souvent la solution qui consiste à monter les uns à la suite des autres plusieurs échangeurs de chaleur de faible longueur. Ceci fournit avant tout une forme d'échangeur de chaleur compacte et mania ble. Par ailleurs, des éléments de raccordement soudés, vissés ou brasés sont nécessaires entre les différents échangeurs de chaleur. The calorific power of a double tube heat exchanger is proportional to the length of the coated tube. In order to obtain the length of tube necessary for a high calorific power, one often employs the solution which consists in mounting one after the other several short heat exchangers. This primarily provides a compact and manageable form of heat exchanger. In addition, welded, screwed or brazed connection elements are required between the various heat exchangers.

Toutefois, dans le cas où les fluides échangeurs de chaleur se trouvent à des pressions élevées, on évite d'employer une structure d'échangeur de chaleur constituée de sous-ensembles distincts, car le risque de fuites augmente avec le nombre de points de raccordement, et que des moyens de contrôle accrus sont nécessaires pour les pièces transmetteuses de pression. Suite à ce problème, essentiellement rencontré dans le domaine du traitement chimique et dans le domaine nucléaire, l'échangeur de chaleur à tube double constitué de tronçons de tubes droits n'a pas pu s'imposer dans ces domaines d'application. However, in the case where the heat exchanger fluids are at high pressures, a heat exchanger structure made up of separate subassemblies is avoided, since the risk of leaks increases with the number of connection points. , and that increased means of control are necessary for the pressure transmitting parts. As a result of this problem, which is essentially encountered in the field of chemical treatment and in the nuclear field, the double-tube heat exchanger made up of sections of straight tubes has not been able to impose itself in these fields of application.

On en revient alors à l'échangeur de chaleur à tube simple, où le tube conducteur de pression est réalisé à partir d'une conduite droite continue. Cette conduite droite est amenée par cintrage à froid à une forme compacte, serpentin par exemple. Le principal inconvénient de l'échangeur de chaleur à tube simple par rapport à l'échangeur de chaleur à tube double est sa puissance inférieure. This then returns to the single-tube heat exchanger, where the pressure-conducting tube is produced from a continuous straight pipe. This straight pipe is brought by cold bending to a compact shape, serpentine for example. The main disadvantage of the single tube heat exchanger compared to the double tube heat exchanger is its lower power.

On a déjà réalisé des échangeurs de chaleur à tube double en hélice par cintrage de conduites continues. Cela a été réalisé avec des matériaux de résistance relativement faible, tels que des alliages corroyés d'aluminium ou du cuivre doux. Avant le cintrage, les deux tubes initialement droits étaient enfilés l'un dans l'autre. L'espace compris entre les tubes était entretroisé par des pièces d'appui, constituées par exemple par des nervures, des joncs ou des bossages. Double tube helical heat exchangers have already been produced by bending continuous pipes. This has been achieved with relatively low strength materials, such as wrought aluminum alloys or soft copper. Before bending, the two initially straight tubes were threaded one inside the other. The space between the tubes was crisscrossed by support pieces, constituted for example by ribs, rods or bosses.

Ces pièces d'appui permettaient d'une part de centrer le tube intérieur dans le tube extérieur, et d'autre part de transmettre au tube intérieur les forces agissant sur le tube extérieur lors du cintrage, de sorte que le tube intérieur se déformait en même temps que le tube extérieur,
Ce procédé, employé pour des matériaux relativement mous, n'était pas directement applicable aux tubes d'acier. Pour le cintrage en hélice de tubes doubles en acier, le procédé est plus coûteux
On connaît par le brevet allemand DE-698 949 une méthode de déformation à chaud selon laquelle la pièce travaillée est, afin d'améliorer la déformabilité, amenée à une température élevée pendant la durée de l'opération de cintrage. En outre, l'espace compris entre les tubes est rempli d'une matière solide, sable par exemple. A la suite du cintrage, cette matière solide est évacuée par rinçage.A nouveau, des éléments écarteurs se chargent du centrage du tube intérieur dans le tube coudé fini.These support pieces made it possible on the one hand to center the inner tube in the outer tube, and on the other hand to transmit to the inner tube the forces acting on the outer tube during bending, so that the inner tube was deformed in same time as the outer tube,
This process, used for relatively soft materials, was not directly applicable to steel tubes. For helical bending of double steel tubes, the process is more expensive
German patent DE-698 949 discloses a hot deformation method according to which the workpiece is, in order to improve the deformability, brought to a high temperature during the duration of the bending operation. In addition, the space between the tubes is filled with a solid material, for example sand. After bending, this solid material is removed by rinsing. Again, spacer elements are responsible for centering the inner tube in the finished bent tube.

La présente invention a pour objectif de fournir un échangeur de chaleur à tube double qui soit constitué d'un matériau à résistance élevée, acier austénitique par exemple, et qui puisse être réalisé par cintrage à partir de conduites continues sans que la pièce travaillée doive être chauffée et sans qu'il faille insérer entre les tubes des éléments de support. The present invention aims to provide a double tube heat exchanger which is made of a high resistance material, austenitic steel for example, and which can be produced by bending from continuous pipes without the workpiece having to be heated and without having to insert support elements between the tubes.

Selon l'invention, cet objectif est atteint en ce que la section du tube intérieur possède, au niveau des zones de cintrage prévues, une forme qui présente une faible résistance à la flexion par rapport au centre de cintrage du tube double. According to the invention, this objective is achieved in that the section of the inner tube has, at the level of the bending zones provided, a shape which has a low resistance to bending relative to the bending center of the double tube.

Une forme de réalisation avantageuse de l'invention consiste en ce que la section du tube intérieur a, au niveau des zones de cintrage, une forme d'ellipse dont le petit axe est dirigé vers le centre de cintrage. An advantageous embodiment of the invention consists in that the cross-section of the inner tube has, at the level of the bending zones, a shape of ellipse whose small axis is directed towards the bending center.

La section nettement moins rigide à la flexion qu'une section ronde peut être réalisée sur l'ensemble du tronçon à cintrer. Toutefois, il est particulièrement avantageux tant pour la fabrication que pour l'utilisation de l'échangeur de chaleur que les zones de cintrage du tube intérieur se trouvent à une distance mutuelle telle que le tube intérieur présente une allure polygonale à l'intérieur du tube extérieur. Entre les zones de cintrage, il reste donc des tronçons de tube intérieur droits, dont les longueurs respectives sont déterminées par les rapports de diamètres et le rayon de cintrage. The section which is markedly less rigid in bending than a round section can be produced over the entire section to be bent. However, it is particularly advantageous both for the manufacture and for the use of the heat exchanger that the bending zones of the inner tube are at a mutual distance such that the inner tube has a polygonal shape inside the tube. outside. Between the bending zones, there therefore remain straight inner tube sections, the respective lengths of which are determined by the diameter ratios and the bending radius.

Indépendamment de la forme de la section du tube intérieur au niveau des zones de cintrage, les extrémités du tube intérieur et leurs assemblages avec le tube extérieur, réalisés au moyen d'éléments de raccordement, peuvent être configurés d'une manière connue. Regardless of the shape of the section of the inner tube at the bending zones, the ends of the inner tube and their connections with the outer tube, produced by means of connection elements, can be configured in a known manner.

L'exposé qui suit explicite l'invention à l'aide de deux exemples de réalisation représentés sur le dessin annexé, dans lequel
Figure 1 présente un échangeur de chaleur en U conforme à l'invention, et
Figure 2 est une vue partielle, en coupe, d'un échangeur de cha leur en hélice conforme à l'invention.The following description explains the invention with the aid of two embodiments shown in the appended drawing, in which
FIG. 1 shows a U-shaped heat exchanger according to the invention, and
Figure 2 is a partial view, in section, of a helical heat exchanger according to the invention.

L'échangeur de chaleur représenté à la figure 1 possède un tube extérieur 1 et un tube intérieur 2, dont les extrémités respectives sont fixées par soudage à des éléments de raccordement 3. Dans les branches du U qui constitue l'échangeur de chaleur, le tube intérieur 2 possède une section ronde. Dans la zone cintrée autour d'un centre de cintrage 4, le tube intérieur 2 est aplati en ellipse. Les figures la et lb présentent les sections du tube extérieur 1 et du tube intérieur 2 et leurs positions mutuelles dans les zones précitees. The heat exchanger shown in FIG. 1 has an outer tube 1 and an inner tube 2, the respective ends of which are fixed by welding to connection elements 3. In the branches of the U which constitutes the heat exchanger, the inner tube 2 has a round section. In the arched area around a bending center 4, the inner tube 2 is flattened into an ellipse. Figures la and lb show the sections of the outer tube 1 and the inner tube 2 and their mutual positions in the aforementioned areas.

Comme le montre la figure lb, le tube intérieur 2 se trouve sur le rayon extérieur de la courbure. Cette position s'obtient en montant les éléments de raccordement 3 de façon que le tube intérieur 2 soit enfoncé axialement dans le tube extérieur 1. A l'inverse, on peut obtenir un tube intérieur 2 situé sur le rayon intérieur de la courbure si, lors du montage, le tube intérieur 2 est tiré axialement hors du tube extérieur 1. As shown in Figure 1b, the inner tube 2 is on the outer radius of the curvature. This position is obtained by mounting the connection elements 3 so that the inner tube 2 is pressed axially into the outer tube 1. Conversely, an inner tube 2 can be obtained located on the inner radius of the curvature if, during assembly, the inner tube 2 is pulled axially out of the outer tube 1.

La figure 2 présente une variante de disposition d'un tube intérieur 5 qui se trouve sur le rayon intérieur et sur le rayon extérieur de la courbure d'un tube extérieur 6 en hélice. Le tube intérieur 5 présente une allure polygonale à l'intérieur. du tube extérieur 6. Figure 2 shows a variant arrangement of an inner tube 5 which is on the inner radius and on the outer radius of the curvature of an outer tube 6 in a helix. The inner tube 5 has a polygonal appearance inside. of the outer tube 6.

Cette forme peut être obtenue en ce qu'avant le cintrage, la section du tube intérieur n'est pas façonnée en ellipse sur un tronçon continu, mais à des intervalles donnés. L'allure polygonale du tube intérieur 5 est avantageuse lorsqu'on veut donner au tube double la forme d'un serpentin assez long.This shape can be obtained in that before bending, the section of the inner tube is not shaped into an ellipse on a continuous section, but at given intervals. The polygonal shape of the inner tube 5 is advantageous when it is desired to give the double tube the shape of a fairly long coil.

Certes, on peut également, dans le cas d'un serpentin, réaliser un positionnement continuel du tube intérieur 1 à l'extérieur comme dans le cas de la figure 1, mais pour des raisons de technique des fluides, cette disposition n' est avantageuse que si le fluide présentant la température la plus basse se trouve dans la chambre d'enveloppe dont la section a une forme de croissant, tandis que le fluide le plus chaud se trouve dans le tube intérieur, dont la section a partiellement une forme d'ellipse et partiellement une forme circulaire. Admittedly, it is also possible, in the case of a coil, to carry out a continuous positioning of the inner tube 1 on the outside as in the case of FIG. 1, but for reasons of fluid technique, this arrangement is not advantageous. only if the fluid with the lowest temperature is in the envelope chamber, the cross section of which has a crescent shape, while the warmest fluid is in the inner tube, the cross section of which has a partially shaped ellipse and partially a circular shape.

En effet, si les fluides de l'échangeur de chaleur étaient inversés par rapport à cette situation, l'action de l'accélération radiale entraînerait dans la chambre d'enveloppe en forme de croissant, dans certaines conditions, un écoulement avec une stratification de la tem ..pérature, qui entraverait l'échange de chaleur. Avec l'échangeur de chaleur muni du tube intérieur 5 à allure polygonale, un tel effet ne se produit pas. Indeed, if the fluids of the heat exchanger were reversed in relation to this situation, the action of the radial acceleration would cause in the crescent-shaped envelope chamber, under certain conditions, a flow with a stratification of the temperature, which would hinder the heat exchange. With the heat exchanger provided with the inner tube 5 having a polygonal appearance, such an effect does not occur.

Claims

1. Heat exchanger for two fluids in the form of a double bent or helical tube, consisting of an inner tube and an outer tube, characterized in that the section of the inner tube (2, 5) has, at the level of the bending zones provided, a shape which has a low resistance to bending with respect to the bending center (4) of the double tube.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the section of the inner tube (2, 5) has, at the bending zones, an ellipse shape the small axis of which is directed towards the bending center ( 4).

3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the bending zones of the inner tube (5) are at a mutual distance such that the inner tube (5) has a polygonal shape inside the outer tube ( 6).

4. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, characterized in that the inner tube (2, 5) and the outer tube (1, 6) have, in a known manner, a circular section at the beginning and at the end of the double tube.

5. Heat exchanger according to any one of the preceding claims, characterized in that at the beginning and at the end of the helix formed by the double tube, the internal tube (2,5) is located, in a known manner, in central position relative to the outer tube (1, 6), and is assembled to the latter by means of connection elements (3).