Brevet FR2045578A1 — publié le 19710305

La présente invention a pour objet un procédé et un échangeur de chaleur à haute efficacité entre au moins une paroi de cet échangeur et un fluide en circulation. On sait que le coefficient d'échange thermique entre une paroi et un fluide à son contact dépend principalement du transfert de masse entre couche limite et fluide sain qui se produit transversalement à la direction générale de l'écoulement par bouffées de caractère aléatoire (turbulence). La quantité de calories véhiculées par cet échange et rapportée à l'aire de la paroi peut oestre accrue essentiellement par deux méthodes connues a) en augmentant la vitesse d'écoulement du fluide, ce qui accrott l'intensité de l'échange turbulent, b) en mettant le fluide de circulation sous pression, s'il s'agit d'un gaz, de façon à augmenter la capacité calorifique des particules fluides échangées. 'effet de ces moyens est cependant limité et ces moyens concourent à une augmentation de la consommation énergétique nécessaire pour leur mise en oeuvre. La présente invention a notamment pour but de remédier à ces inconvénients, elle concerne à cet effet un procédé d'échange thermique convectif entre au moins une paroi d'échangeur et un fluide en circulation, procédé caractérisé en ce que l'on fait circuler le fluide sur au moins une paroi d1 échange que 1' on conforme de manière que cette paroi limite un écoulement de révolution qui, sous lteffet du champ de pression existant dans ltecoulement, donne naissance à des courants pariétaux qui ont une direction sensiblement normale à celle de l'écoulement principal, la formation de ces courants de circulation secondaires dans la couche limite permettant d'intensifier de façon très appréçiable l'échange thermique. L'invention concerne également les échangeurs de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérises en ce qu'ils présentent au moins de préférence une surface de révolution conformée de manière que sa génératrice présente une allure générale sinusoïdale et que ladite surface limite un écoulement de révolution engendrant un gradient radial de pressionS la dite pression étant plus élevée dans les zones de paroi éloignées de l'axe de la surface de révolution que dans celles qui en sont plus proches, ce qui permet la formation de courants de circulation secondaires dans la couche limite. Un échangeur pour-la mise en oeuvre du présent procédé est représenté schématiquement sur les dessins ci-joints dans lesquels e - la figure 1 est une que sChématique montrant en perspective une portion d'une paroi d'échangeur courbe, - la figure 2 est une coupe axiale d'une sec- tion de l'échangeur montrant schématiquement les écoulements se- condaires intéressant la couche limite. Suivant l'invention, le procédé consiste à provoquer dans la couche limite des courants de circulation sous l'effet du champ de pression existant dans l'écoulement en raison d'une configuration particulière d'une paroi d'échange. Oes courants pariétaux; qui ont une direction sensiblement normale à celle de l'écoulement principal, ne se maintiennent que par une alimentation en provenance du fluide sain et une évacuation vers celui-ci après un balayage de la paroi de l'échangeur. Cette circulation secondaire assure dans les meilleures conditions le transfert thermique recherché de manière beaucoup plus efficace que pour un écoulement classique turbulent. Dans l'exemple schématique des figures 1 & 2, l'échangeur est représenté partiellement et comprend au moins une surface solide A, B, a, D, qui est une portion d'une surface de résolution d'axe Z Z' dont la génératrice A B présente une allure générale sinusoïdale. Pour expliquer le fonctionnement de ce type d'échangeur, on a représenté par C1 un courant sur la face interne i la paroi d'échange limitant un écoulement de révolution. Dans un tel écoulement, en négligeant le champ des forces extérieures et la viscosité, l'équation d'équilibre radial en coordonnées r, # z peut s'écrire : 1/# dp/dr = #/r avec P masse spécifique du fluide, p sa pression V# sa vîtes- se tangentielle. Il apparait donc un gradient final de pression dp/dr positif. Cette pression, qui règne également dans la couche limite, sera plus élevée sur les zones 2 de paroi éloignées de l'axe que sur celles 3 qui en sont plus proches dans une même section de la paroi. I1 en résultera des courants de circulation secondaires dans la couche limite se prolongeant nécessairement dans le fluide sain, suivant le schéma de la figure 2. Bien entendu, le tracé représenté figure 1 ntest donné qu'à titre d'illustration pour aider à la compréhension du processus d'échange préconisé. la paroi peut être constituée de portions de surfaces de révolution d'axes différents, ayant des génératrices présentant une évo lution dr/dz alternativement positive et négative. Ces conditions suffisent à créer les écoulements secondaires C2 décrits. De même, les portions de surface d'échange peuvent être hélicoïdales. D'autre part, les écoulements secondaires-exis- tent de la même façon, que le fluide s'écoule à l'intérieur ou--à l'extérieur de la surface ABCD (figure 1) deola paroi d-'-échange. Cette caractéristique permet donc d'envisager ia construction d'échangeurs thermiques reposant sur les bases énoncées en ce--qui concerne les deux fluides séparés par une même paroi, D'autre part, il est dvidemment possible dans le oas de la figure 2 d'avoir,si besoin est,@un échange intensifié, aussi bien du coté EF que du côté AB, en donnant également à EF une allure sinusoïdale. L'échangeur conforme à celui obtenu par le procédé de l'invention présente de nombreux avantages0 Pour une même vitesse moyenne d'écoulement, l'augmentation-du coefficient d'échange fluide paroi , par l'effet des courants de circulation secondaires renouvelant la couche limite, permet d'obtenir, pour une même température moyenne de paroi, un flux thermique plus élevé et, pour un même flux thermique, une réduction de l'écart de température entre le .fluide et la paroi Dans le cas d'une telle-0disposition adoptée sur un échangeur, la différence moyenne de température entre les deux fluides pourra être notablement diminuée pour une même valeur de l'échange thermique, le coefficient global d'échange se trouvant doublement augmenté. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres variantes, sans pour cela sortir du cadre dé l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 10/ Procédé d'échange thermique convectif entre au moins une paroi d'échangeur et un fluide en circulation, procédé caractérisé en ce que l'on fait circuler le fluide sur au moins une paroi décharge que l'on conforme de manière que cette paroi limite un écoulement de révolution qui, sous l'effet du champ de pression existant dans l'écoulement, donne-naissance à des courants pariétaux qui ont une direction'sensiblement normale à celle del'écoulement principal, - la formation de ces courants de circulation secondaires dans la couche limite permettant d'intensifier de façon très appréciable l'échange thermique. 2 / Echangeur-de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente au moins de préférence une surface de révolution conformée de manière à ce que sa génératrice présente une allure générale. sinusoidale et que la dite surface limite un écoulement de révolu tion engendrant un gradient radial de pression, la dite pression étant plus élevée dans les zones de paroi éloignées de l'are de la surface de révolution que dans celles qui en sont plus proches, ce qui permet la formation de courants de circulation secondaires dans la couche limite.