Brevet FR2107897A1 — publié le 19720512

L'invention concerne un procédé pour l'amélioration du transfert de chaleur dans lun échangeur de chaleur, au moyen d'un fluide qui balaye au moins une surface de séparation conductrice de la chaleur, par réduction de ltépaisseur de la couche limite et augmentation de la surface therm.oSonduetrice d'un côté au moins de la surface de séparation; par ailleurs, l'invention concerne un dispositif pour ltexécution de ce procédé. En cas de transfert thermique indirect, c'est-à-dire à travers une surface de séparation qui isole les fluides échangeurs de chaleur, on provoque le plus souvent un écoulement forcé de ces fluides sur les surfaces. Les chicanes et profils perturbateurs, générateurs de turbulence, exercent un effet favorable. Par ailleurs, le transfert thermique est augmenté lorsque des dispositions sont prises pour que le courant contourne, dans le sens de l'écoulement, des surfaces additionnelles placées perpendiculairement sur la surface de séparation.Selon une proposition récente, on peut obtenir une nouvelle augmentation par un guidage particulier de l'écoulement du fluide, lequel est introduit perpendiculairement, en un j jet libre, dans une chambre ampli de ce fluide et rend possible un balayage forcé, à plusieurs reprises, de la surface de séparation, par productio d'une forme de turbulence homogène particulière. Toutefois, en cas de grandes dimensions des ci1d.,1bTes de turbulence avec utilisation d'une multiplicité de jets, il n'est pas possible de tirer entièrement profit de la turbulence qui remplit tout l'espace. L'invention a pour but de parvenir, mtme dans de grandes chambres de turbulence, à une turbulence extrtmement finc, homogène, destructrice de couche limite et, de ce fait, augmentant le transfert thermique dans le fluide, avec en mEme temps une forte augmentation de la surface totale effective conductrice de la chaleur. Avec le procédé selon l*'invention, ce but est atteint par le fait qu'il est prévu, du coté de la surface de séparation balayé par le fluide, un certain nombre de cellules ouvertes, dans chacune desquelles un jet libre du fluide est introduit sous pression, avec une composante de vitesse perpendiculaire à la surface de séparation. Un dispositif pour l'exécution du procédé selon l'invention est caractérisé par une chambre de turbulence emplie de fluide, dont une paroi constitue la surface de séparation, laquelle est occupée par des cellules dont les parois sont fixées sur la surface de séparation-par une liaison conductrice de la chaleur, et la paroi de fermeture; opposée à la surface de séparation, est raccordée à un certain nombre de conduites d1admis- sion à partir desquelles le fluide à introduire s'écoule en un jet libre dans les différentes cellules. L'impact hydraulique uniforme, répété localement, ainsi produit sur la surface de séparation et la paroi des cel luxes, donne lieu, en produisant une turbulence fine, à une réduction de l'épaisseur de la couche limite et, en conséquence, à une capacité remarquable et inconnue jusqu'ici de conduction de la chaleur. Quelques exemples d'exécution de l'invention ont été représentés schématiquement sur les dessins. La figure 1 représente un dispositif selon l'invention, la surface de séparation et les cellules étant montrées en coupe transversale avec un orifice d' échappement annulaire dans la moitié supérieure et un orifice d'échappement latéral dans la moitié inférieure. Les figures 2, 3 et 4 sont des vues de dessus de la surface de séparation, montrant différentes formes des cellules. D'après la figure 1, le dispositif pour l'amélioration du transfert thermique est essentiellement formé des deux charn- bres de turbulence 3 et 9, dont la paroi commune est constituée par la surface de séparation 1. Sur cette surface sont fixés, par une jonction conductrice de la chaleur, des parois 17 qui entourent des cellules 2.Des conduites d'arrivée 5 sont montées sur la cloison de fermeture 13 de la chambre de turbulence 3t en face de la surface de séparation 1; .un fluide échangeur de chaleur froid 4 est envoyé sous pression danslces- conduites, et, à partir des orifices de cell'es-ci, il pénètre en jet libre 16 dans les cellules 2. La fente annulaire 10 sert-d'orifice d'échappement, par lequel le fluide 4 sort dans la direction 11. L'antre fluide 7, plus chaud, se trouve dans la chambre de turbulence 9, de l'autre csté de la surface de séparation 1 à travers laquelle il cède de la chaleur au fluide plus froid 4 dans la chambre de turbulence 3 ou dans les cellules 2. Du cAoté plus chaud de la surface de séparation sont également disposées des cellules 2 dans lesquelles le fluide 7 pénètre en un jet libre par les conduites d'admission 5. La conduite dréchappement latérale est désignée par 14 et le sens du courant dans cette conduite est indiqué par 12. Les Jets libres 16 sont introduits dans les cellules 2 avec une composante de vitesse perpendiculaire à la surface de séparation 1 et ils sont avantageusement dirigés perpendiculairement à la surface de séparation et, dans toute la mesure du possible, en position centrale dans les cellules. Sur leur trajet jusqu'à la surface de séparation, ils entraînent le fluide environnant, déjà introduit auparavant, sans pouvoir l'aceé- lérer jusqu'à leur propre vitesse.Du fait de la composante de vitesse perpendiculaire, les courants à l'intérieur des cellules s'élargissent radialement de tous cotées, balayant les parois latérales 17 des cellules 2 et reviennent en partie dans la région extérieure des cellules vers les jets qui entrent, selon ce qui est indiqué par les ligules de trajet 15. Du fait de ces courants et du fait de I'entraînement de particules plus pauvres en énergie du fluide, tout le contenu de chaque cellule est mis en un mouvement de circulation constant non chaotique, pour balayer, en partie à répétition, la surface de séparation 1 et les parois 17 des cellules 2. Afin de convertir en la vitesse d'écoulement nécessaire l'énergie inhérente au fluide avant son entrée dans la chambre de turbulence sous forme de hauteur manomètrique, il convient d'injecter le fluide dards les cellules 2 par des buses 6 au niveau des orifices des conduites d'arrivée 5. Dans ces condi- tions, les ajutages des buses peuvent Autre circulaires, carrés ou réalisés sous forme de fentes. Pour obtenir une surface de conduction thermique encore plus grande, ou mEme pour pouvoir maintenir des pressions plus élevées dans le système, la surface de séparation peut être exécutée sour forme bombée ou courbe, par exemple sous forme d'un segment dVune sphère creuse, d'une ovoSde, d'un cylindre ou d'un-cône. La surface de séparation 1 peut aussi être une partie d'un corps solide, dont la capacité calorique fixe ou m8me croissante est réduite de cette manière. Les différentes cellules peuvent former opportunément des figures géométriques en vue supérieure, par exemple des carrés, des cercles ou des triangles, comme on peut le voir sur les figures 2 à 4 et, en outre, des hexagones, des polygones ou même oblongues. Le transfert de chaleur au niveau de la surface de séparation peut Etre.amelioré, avec les dispositifs décrits, par des moyens classiques. C'est ainsi qutil est par exemple avantageux de prévoir, à l'intérieur des cellules, plusieurs surfaces 18 conductrices de la chaleur, qui sont en rapport de conduction thermique avec la surface de séparation et sont disposées dans la direction du courant. Il n'y a pas besoin de mentionner particulièrement qu'il peut Etre prévu, des deux côtés de la surface de séparation, des chambres de turbulence et des formes de cellules semblables ou même différentes, pour parvenir ainsi à un transfert intense de la chaleur de part et d'autre de la surface de séparation. Mais les cellules peuvent aussi n'trie prévues que d'un côté de la surface de séparation, lorsque cela suffit pour un transfert satisfaisant de la chaleur. Il est également possible de monter plusieurs dispositifs selon l'invention en parallèle ou en série. En cas de montage en série, le fluide peut être amené à la première chambre de turbulence sous une pression élevée en conséquence, ensuite suffisante pour le passage à travers tous les dispositifs, ou bien il est possible, en cas de besoin, d'intercaler encore des génératew-s de pression entre les différents dispositifs. En cas de disposition de chambres de turbulence des deux cotés de la surface de séparationn il peut être avantageux de les munir de conduites d'échappement pour les fluides respectifs et de disposer ces conduites d'échappement de sorte que les sens d'écoulement dans celles-ci soient mutuellement opposés.De cette manière, les deux fluides passent sur la surface de séparation en une sorte de contre-courant l'un par rapport à l'autre. En cas de disposition de deux ou de plusieurs chambres de turbulen ce du mEme côté de la surface de séparation, il convient d'alimenter leurs conduites d'admission & partir d'une chambre d'ali- mentation commune. En principe, le procédé décrit peut être appliqué dans tous les cas où il se produit un échange de chaleur entre deux fluides dont lvun au pleins est en mouvement. A titre d'exemples, on pourra mentionner les réfrigérateurs, les réchauffeurs, les générateurs de vapeur, les condenseurs et les échangeurs de chaleur da tous genres, les fluides pouvant être liquides, gazeux ou pâteux et pouvant entre pratiquement sous toute pression voulue ou sous vide. REVENDICATIONS 1" Procédé pour l'amélioration du transfert de chaleur au moyen d'un fluide qui balaye au moins une surface de séparation conductrice de la chaleur, par réduction de l'épaisseur de la couche limite et augmentation de la surface thermoconductrice d'un côté au moins de la surface de séparation, Ca- racé'risé par le fait qu'il est prévu, du caté de la surface de séparation 1 balayé par le fluide 4, 7, un certain nombre de cellules ouvertes 2, dans chacune desquelles un jet libre 16 du fluide 4, 7 est introduit sous pression, avec une composante de vitesse perpendiculaire à la surface de séparation 1. 20 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait'que les jets libres 16 sont introduits dans une direction au moins approximativement perpendiculaire à la surface de séparation 1. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait'qu'il est produit, dans les cellules 2, un courant de circulation du fluide 4, de sorte que celui-ci passe à plusieurs reprises sur la surface de séparation 1. 40 Dispositif pour l'exécution du procédé selon la revendication 1, caractérisé par une chambre de turbulence 3, 9 emplie de fluide 4, 7, dont une paroi constitue la surface de séparation 1, laquelle est occupée par des cellules 2 dont les parois 17 sont fixées à la surface de séparation 1 par une liaison conductrice de la chaleur, et dont la paroi de fermeture 13 opposée à la surface de séparation 1 est raccordée à un certain nombre de conduites d'admission 5, à partir desquelles le fluide à introduire 4, 7 s'écoule en un jet libre 16 dans les différentes cellules 2. 50 Dispositif selon la revendication- 4, caractérisé par le fait que les parois 17 des cellules sont au moins approximativement perpendiculaires à la surface de séparation 1. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les conduites d'admission 5 pénètrent jusqu'à l'intérieur des cellules 2. 70 Dispositif selon la revendication 4, caractéri sé par le fait que les cellules 2 vues d'en haut correspondent à des figures géométriques telles, par exemple, que carrés, cercles, triangles, hexagones, ou elles sont oblongues. 80 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les conduites d'admission 5 sont munies, à leurs orifices, de buses 6 qui présentent un ajutage de forme quelconque, par exemple circulaire ou en forme de fente. 90 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par une fente annulaire 10 à titre d'orifice d'échappement pour le fluide 4, 7 à partir de la chambre de turbulence 3, 9. 100 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par une surface de séparation 1 bombée ou courbée. 110 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par au moins deux chambres de turbulence 3, 9 contiguës à la surface de séparation 1 du mEme côté et parcourues l'une après l'autre par le fluide 4, 7. 120 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par au moins deux chambres de turbulence 3, 9 contigus à la surface de séparation 1 du méme côté, leurs conduites d'admission 5 étant alimentées à partir d'une chambre d'alimentation commune. 130 Dispositif selon la revendication 4 avec au moins une chambre de chaque conté de la surface de séparation, présentant une conduite d'échappement pour le fluide respectif, caractérisé par le fait que les sens d'écoulement 12 dans les deux conduites d'échappernent 14 sont opposés l'un à l'autre. 140 Dispositif selon la revendication 4, caractéri-' sé par le fait qu'il est disposé, à l'intérieur des cellules 2s dans la direction du courant, des surfaces conductrices de la chaleur 18 en contact thermique avec la surface de séparation 1. 150 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la chambre de turbulence 3, 9 est sous une pression plus élevée que dans les chambres d'échappement en aval des conduites d'échappement 10 et 14. 160 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la surface de séparation 1 qui n'est balayée que d'un caté par un fluide 4 fait partie d'un corps conservant la chaleur ou produisant la chaleur.