Brevet FR2061500A1 — publié le 19710625

La présente invention a potir objet un dispositif permettant de provoquer une forte turbulence dans llécoulement d'un ou plusieurs fluides participant à un échange de chaleur à travers une paroi, de manière à accroftre le coefficient d'échange thermique entre le ou les fluides et cette paroi. Dans les échangeurs thermiques classiques la turbulence des fluides. participant aux échanges de chaleur est provoquée au voisinage des -parois, par la disposition de bandes enroulées en spirale, de fils en hélice, d'ailettes en chevron ou de re liefs de formes diverse L'invention concerne un dispositif échangeur thermique qui consiste essentiellement à substituer à ces moyens classiques propres à assurer une turbulence, des'ensembles homogènes ou non constitués de tissus. Ces tissus peuvent être constitués d'un matériau qui dans chaque cas, est adapté-à l'application envisagée. Outre les avantages qui seront indiqués ci-après, le dispositif suivant-l'invention permet, par rapport-aux dispositifs classiques, d'au-gmenter dans de grandes proportions la turbulence du ou des fluides utilisés pour assurer les échanges de chaleur. Suivant un premier mode de réalisation de l'inventiôn, le dispositif comprend une ou plusieurs masses de tissus qui sont en contact avec une ou plusieurs parois et qui sont traversées par un ou plusieurs fluides. La texture, la porosité et la surface spécifique de ces mazes de tissus peuvent varier selon le point considéré de la veine de fluide Le,tissu provoque une turbulence générale de'l'écoulement du fluide dans laveine en accroissant dans une grande mesure les échanges thermiques par convection entre les différentes particules du fluide et, de proche en proche, les échanges de contact avec la paroi.Ce dispositif a l'avantage de faire participer aux échanges thermiques avec la paroi, toute la masse de fluide sté- coulant dans la veine. L'intensité du transport d'énergie thermique du fluide vers la paroi dépend : - de la vitesse du fluide; - des caractérilstiques thermodynamiques du fluide - de l'épaisseur et de la forme de la veine - de la- direction des tissus relativement à la paroi d'échange - de l'arrangement des tissus, de leur texture, porosité et surface spécifiquet - de la nature du matériau choisi pour la construction des tissus0 I1 convient d'observer que les masses de tissus ne sont pas mises en oeuvre dans le but d'augmenter la surface d'échange thermique entre un ou plusieurs fluides eut une paroi, pas plus qu'elles ne sont utilisées pour véhiculer la chaleur par conduction en son. matériau entre deux domaines où règnent des tempéra- tures différentes, séparé6,.par une paroi. Les tissus ne traversent pas la paroi d'échange mais sont simplement appliqués sur elle, sans adhérence. Par ailleurs, les propriétés capillaires de ces masses de tissus ne sont pas non.plus utilisées. Il-y a lieu de souligner également que le mouvement du fluide à l'inté- rieur des masses de tissus peut résulter d'un phénomène de corivec- tion naturelle. Les dispositifs suivant ce premier mode de réalisation peuvent notamment titre appliqués dans le domaine des échangeurs thermiques, des condenseurs thermiques et de la récupération de la chaleur produite par un générateur ou une source d'énergie tel que barreau dé combustible nucléaire. Suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention; le dispositif se caractérise par le fait que les tissus sont Constitués de tubes ou vaisseaux capillaires et non plus de fils et que les canaux ainsi constitués sont parcourus par un fluide en circulation naturelle ou forcée et que la paroi à travers laquelle siétablissent des échanges calorifiques entre ce fluide et le milieu extérieur, egalement fluide, n'est autre que l'ensemble ds parois desdits canaux. On observera que les- caractéristiques de cette forme de réalisation sont telles que l'on ne peut pas l'assimiler à-un accumulateur de chaleur statique du type de celui qui serait constitué par une masse tissée de fils pleins d'un matériau à chaleur spécifique non négligeable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit et'qui est relative à divers exemples d'exécution non limitatifs de ladite invention. Dans cette description on se réfère aux dessins chémati- ques ci-joints qui montrent figs0i, 2 et 3 des vues en coupe d'échangeurs thermiques suivant le premier mode i réalisation; figes04 et 5 des vues respectivement en coupe verticale et en coupe horizontale d'un condenseur de vapeur-suivant.le premier mode de réalisationg fig.6 une vue en coupe d'une autre forme d'exécution de condenseur; fig.7 une vue en perFpective relative au deuxième mode de réalisation. Dans le cas des échangeurs thermiques, l'échange de chaleur se fait entre deux fluides en convection forcée par l'intermédiaire d'une paroi. Selon la nature et les propriétés thermodynamiques des fluides concernés l'on peut faire appel à des dispositifs tels que ceux représentés schématiquement sur les figures 1 à-3; Sur le schéma de la fig-. I, on voit en 1 une masse de tissu placée dans la veine de fluide délimitée par deux parois 2 et 3, la paroi-3 étant d'autre-part-la paroi d'échange thermique avec le fluide passant dans l'espace compris entre cette paroi et une paroi extérieure 4. La masse de tissu 1 occupe complètement l'es pace compris entre les parois 2 et 3. Comme représenté fig.2, la paroi d'échange 5 sépare un compartiment 6, empli de tissus 7 où circule un fluide aux capacités intrinsèques d'échange relativement faibles, un gaz par exemple, d'un compartiment 8 vide de tissus où circule un fluide aux capacités d'échange très fortes, de l'eau par exemple Dans ce cas la masse de tissu 7 tend à diminuer ou à annuler l'écart entre les toefficients d'échange thermique de chacun des fluides avec la paroi, ce qui conduit à une augmentation de la compacité de l'appareil par un usage plus rationnel des surfaces d'échange0 Selon le schéma de la fiv.3, les deux compartiments 10-11 séparés par la paroi d'échange 12, sont également emplis d'une masse de tissu. Cette disposition conduit à une augmentation de la opacité de l'appareil dans le cas où les deux fluides ont des capacités d'échange relativement faibles avec la paroi (deux gaz par exemple). Une des dispositions technologiques parmi celles qui paraissent les plus séduisantes peut Qtre la suivante L'élément d'échange (fig,2) est conçu comme un assemblage de deux tubes -coaxiaux séparés par une bobine de toile métallique enroulée sur le tube interne s et en contact avec le tube externe 9, l'échange se fait alors entre le fluide circulant dans le tube central et le fluide circulant dans la masse de toile, dans 1'espace 6 compris entre les deux tubes coaxiaux.Le procédé de fabrication d'un tel assemblage se résume à la-suite des opéras tions suivantes : la toile est enroulée sur le tube central 5, cette préparation est ensuite introduite dans le tube externe 92 enfin la surface interne de ce dernier tube est amenée au contact de la bobine des toile 7 par étirage. du tube externe 9. On peut utiliser la mtme technique dans le cas de la disposition de la fig.3. Dans ce cas > il suffit de partir de l'assemblage précédent dans lequel le tube interne 13 est obturé et est muni d'un enroulement de toile 14 puis d'enrouler une bobine de toile 15 sur le tube externe 16, et enfin après introduction de ce nouveau montage dans un troisième tube 17, d'étirer ce dernier jusqu'à ce qu'il vienne en contact avec le manchon de toile externe 15. Les fluides parcourant les compartiments 10 et Il échangent de la chaleur au niveau du tube intermédiaire 16 formant paroi0 Les éléments cylindriques d'échangeur conçus selon les figures 1 -d 3 peuvent entre associés en faisceaux par des plaques tubulaires et constituer un corps d'échangeur classique Les schémas précédents ne sont donnés qu'à titre-d'exemple et ne sont pas limitatifs.Les éléments d'échange peuvent trek en particulier, plans comme il en sera donné un exemple dans ie cas des condenseurs* L'orientation de la toile par rapport aux parois d'échange peut titre quelconque. Le cas des condenseurs de vapeur n'est pas fondamentalement différent de celui qui précède étant donné qu'un condenseur n'est qu'un cas particulier d'échangeur. Toutefois il s'en distingue par l'apparition d'une phase liquide au sein de la phase gazeuse de l'un des deux fluides participant à l'échange. Si le fluide à condenser circule dans un compartiment empli d'une masse de tissu, celle cl étant donné sa propriété de multipliez la germination de gouttelettes puis de provoquer la coalescence de ces dernières, s'engorge rapidement de la phase liquide et inhibe le processus de condensation à moins qu'il ne soit pris des dispositions. partlculLèresw Cette propriété des tissus présente un intértt tel qu'elle justifie toute disposition tendant à éliminer les gouttelettes au fur et à mesure de leur formation.Un moyen simple d'y parvenir. consiste en la centrifugation des condensats0 Différentes- dispositions peuvent Qtre utilisées, dont on donne ci-après deux exemples Suivant un premier exemple de réalisation (figs.4 et 5), des éléments tubulaires d'échange 18, conçus selon les schémas des figure-s 1 à 3 sont cintrés selon des arcs de développante de cercle et sont fixés sur les parois 19 et 20 d'un tambour ro tatif d'axe ZZ La vapeur à condenser est admise dans ces éléments 18 au niveau de la chambre centrale 21; la vapeur se con-. dense dans les tubes 18 par.lleffet d'un fluide réfrigérant circulant à l'intérieur du volume 22 délimité par les parois 19 et 2Q, transversalement auxeléments d'échange 18. Sous l'effet des forces centrifuges développées par la rotation du tambour, les gouttelettes formées dans la masse de tissu des éléments 18 sont projetées.vers 11 extérieur dans la chambre de recueil 23. Suivant un deuxième exemple de réalisation (fig.6), les éléments d'échange sont des disques perforés constitués d'une masse de toile métallique 32 serrée entre deux-flasques 25 et 26 faisant office de paroi d'échange thermique. Des traverses- tubu- låires 27 convenablement réparties sur la surface du disque, mettent les chambres 28 et 29 en communication et participent à la rigidité mécanique de l'ensemble. Le disque et la paroi 30 des chambres 28 et 29 sont solidaires et participent d'un mouvement de révolution uniforme aitour de l'axe X-X' lequel peut être dis posé horizontalément-ou verticalement.La vapeur à condenser est admise dans la chambre 31, s'écoule et se condense dans la masse de tissu 32 où les touttelettes formées sont projetées dans la chambre de recueil 33 sous l'effet des forces centrifuges déve loppées par la rotation du disque. Le fluide réfrgérant, admis en 34 dans la chambre 28 échange de la chaleur avec le fluide à condenser au niveau des surfaces des flasques 25 et 26 et des traverses tubulaires 27 puis s'échappe de-la chambre 29 en 35. Le dispositif décrit peut comporter plusieurs disques disposés en parallèle le long de l'axe de rotation. Dans le cas du deuxième mode de réalisation (fig.7), les tubes ou capillaires à l'intérieur desquels se trouve l'un des fluides participant à l'échange calorifique, constituent la trame 36 et la channe 37 d'un tissu. La structure complète de l'appa reil, échangeur ou accumulateur, est obtenue par la superposition de nappes de tubes tissées. Les différentes nappes sont en général au contact les unes des autres bien que cette disposition ne soit pas absolument nécessairee Lez connexions entre tubes de nappes distinctes peuvent titre organisées de façon que les -conducteurs d'une famille déterminée (channe ou trame) d'une nappe soient re-liés aux conducteurs de l'une ou l'autre des familles d'une nappe d'ordre différent quelconque.A l'-intërieur d'une même nappe les conducteurs d'une mtme famille peuvent ou non titre reliés selon un montage en série, en parallèle ou en série parallèle, Le procédé de fabrication des nappes tissées de tubes ou capillaires s'apparente à celui des grillages à très gros fils. Selon cette technique les conducteurs sont ondulés? un par un, au pas convenable et assemblés aux conducteurs d'une famille déterminée soit par vissage soit par tout autre procédé connu plus proche des techniques classiques de-tissage. Dans tous les cas le mouvement du fluide d'échange extérieur aux conducteurs peut s'exercer dans une direction quelconque relativement à l'orientation des nappes. Qu'il s'agisse d'un échangeur ou d'un radiateur, les différents conducteurs ou jappes peuvent titre connectés à des colleo- teurs qui assurent une distribution judicieuse destluides comme c'est le cas des appareils habituels Dans le cas d'un accumulateur de chaleur, les conducteurs contiennent un fluide à forte chaleur specifique,'telque l'eaux qui peut titre ou non soumis à une circulation forcée. Les avantages technologiques que procurent les dispositifs suivant l'invention sont notamment les suivants: Grâce à la turbulence produite par la masse de tissu on peut augmenter le coefficient de transfert thermique au niveau de la paroi d'échange dans un rapport de 1 à 5 par rapport à ce que serait ce coefficient dans le cas d'un échange sur paroi lissez Bien entendu les pertes de charge linéiques du fluide circulant dans la masse de tissu sont plus fortes que dans le cas d'un écoulement en canal à paroi lisse, mais le gain obtenu sur les longueurs des canaux d'échange gracie à l'augmentation du coefficient de transfert thermique conduit à des pertes de charge globales voisines de celles observées pour un échangeur à tube lisse. Le gain de compacité procuré par les dispositions sui vant l'invention peut donc titre considérable. Les dispositifs conformes au premier mode dé réalisation peuvent conduire, pour une puissance donnée d'échange, à la mise en oeuvre de canaux plus courts que dans un appareil classique donc moins sensibles aux sollicitations à la vibration. Les enroulements de tissu constituent, de par la nature du matériau même fait de fils ondulés, un corps souple qui n'impose pas de contraintes thermiques importantes -sur les parois d'échange ou de confinement. Les dispositifs conformes au second mode de réalisation et dans~lesquels les nappes de conducteurs s'appuient les unes sur les autres, possèdent la propriété d'être très peu sensibles aux sollicitations à la vibration. Par ailleurs, la forma ondulée des conducteurs assure un rible de compensation thermique qui, outre le bénéfice qu'il procure en limitant les contraintes d'origine thermique, confère à la structure d'échange une meilleure résistance aux chocs thermiques. Parmi les applications particulièrement intéressantes de l'invention, on peut notamment citerles suivantes - Echangeurs compacts pour réacteurs nucléaires à circuit primaire intégrés Ces échangeurs peuvent être conçus selon les formes d'exécution des figures 1 à 30 - Condenseurs pour installations- de dessalement de l'eau de mer par le procédé par distillation. - Radiateurs pour automobile selon le second mode de réalisation. - Récupération de chaleur pour cycle de turbines à gaz fixes ou mobiles selon le second-mode de réalisation, le fluide d'accumulation pouvant titre le glycol ou l'éthylglycol. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour obtenir une turbulence élevée dans l'écoulement d'un ou plusieurs fluides participant à un échange de chaleur à-travers une paroi de manière à accrottre le coefficient d'échange thermique entre ce ou ces fluides et cette paroiS caractérisé en ce que ce ou ces fluides traversent une masse de tissu en contact avec ladite paroi. 2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une ou plusieurs masses de tissus qui sont en contact avec une ou plusieurs parois et qui sont traversées par un ou plusieurs fluides,- la texture, la porosité ou la surface spécifique de ces masses de tissus pouvant varier selon le point considéré de la veine de fluide les traversant. 3) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu est constitué de tubes ou vaisseaux capillaires parcourus par un fluide en circulation naturelle ou forcée, la surface extérieuré des dits tubes constituant la surface d'échange calorifique entre le fluide et le milieu extérieur. 4) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un assemblage de deux tubes coaxiaux séparés par une bobine de tissu ou de toile métallique enroulée sur le tube interne et en contact avec le tube externe, l'ensemble de la toile et du tube interne étant introduit dans le tube externe- et la surface -interne de ce dernier étant amenée au contact de la bobine de toile par étirage du tube externe. 5) Dispositif-suivant la revendication 1 applicable aux condenseurs de vapeur caractérisé en ce qu'il est animé d1un mouvement de rotation de façon à assurer l'élimination de la phase liquide par centrifugation. 6) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que des éléments tubulaires d'échange, comportant chacun une masse de tissu, cintrés suivant des développantes de cercle, sont fixés sur les parois d'un tambour tournant autour de son axe, la vapeur étant .admise dans lesdits éléments par l'intérieur du tambour et sty condensant sous l'effet d'un fluide réfrigérant passant au contact de la paroi extérieure desdits éléments, les gouttelettes formées dans la masse de tissu de ces derniers étant projetées vers l'extérieur sous lteffet des forces centrifuges dues à la rotation du tambour. 7 > Dispositif suivant ia revendication 5 caractérisé en ce que les éléments d'échange sont constitués par des disques perforés constitués par une masse de tissu serrée entre deux flasques, des traverses tubulaires réparties sur le disque mettant en communication deux chambres dont les parois, ainsi que les disques, sont animés d'un mouvement de rotation, la vapeur passant dans lesdits éléments d'échange et s'y condensant sous l'effet d'un fluide réfrigérant passant d'une chambre à l'autre par les traverses des disques, les gouttelettes formées dans la masse de tissu des éléments d'échange entant projetées vers ltex- térieur sous l'effet de la force centrifuge.