Brevet FR2062917A1 — publié le 19710702

La présente invention est relative à un procédé pour améliorer la transmission de chaleur entre deux fluides séparés par une surface de séparation, amélioration obtenue en réduisant lié- paisseur de la couche limite sur au moins une face de la surface de séparation, laquelle constitue sur cette face une paroi intérieure d'une enceinte close remplie d'un fluide ; l'invention concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans ia transmission indirecte de la chaleur- ctest-à- dire, à travers une surface de séparation qui sépare les fluides échangeant la chaleur - on adopte souvent une disposition consistant à laisser les fluides s'écouler librement sur la surface de séparation. Des formules de calcul toutes prêtes pour ces processus sont généralement connues.Celles-ci ne permettent pas de mettre en évidence la nature de la turbulence grossière, non contrôlée, qui se produit dans le courant, ainsi que son influence sur la transmission de chaleur vers la surface de séparation ou à partir de celle-ci, bien que, d'une manière empirique, on a fait la constatation que la-couche dite "couche limite", en particulier lorsqu'elle présente une grande épaisseur, comme c'est le cas pour des liquides fort visqueux, influence défavorablement la transmission de chaleur. On a constaté que, pour désagréger ou-du moins réduire les couches limites, il était avantageux de produire une turbulence sutlémentaire dans les fluides en circulation. Â cette- fin, on interpose sur le trajet de circulation des fluides des déflecteurs, des corps à tourbillon, des corps de refoulement et même des corps perturbateurs, qui, il est vrai augmentent la résistance à la circulation, mais améliorent la transmission de chaleur en réduisant les couches limites. L'efficacité de ce procédé est limitée par le fait que les turbulences ainsi obtenues ne sont pas très intenses t, de plus, ne sont pas homogènes. Les tourbillons créés mécaniquement par de tels éléments intérieurs rapportés correspondent à peu près aux formes de tourbillons de Karman, c'est-à-dire, leurs dimensions sont de l'ordre de grandeur des éléments intérieurs rapportés qui les engendrent. De plus, la propagation de ces tourbillons, que l'on devrait plutôt dénommer des sphères de turbulence, n'est que locale, c'est-à-dire, limitée au voisinage des éléments intérieurs rapportés, mais ne se répartit pas sur un grand espace. L'invention vise à engendrer une turbulence uniforme, aussi fine que possible, cela sans éléments intérieurs rapportés, uniquement à l'aide de forces hydrauliques impulsionnelles et de forces dues à l'inertie9 turbulence qui s'étend autant que possible sur toute la surface de séparation à travers laquelle a lieu la transmission de chaleur. Suivant leinvention, ce but est atteint par le fait qu'au moins un jet libre d'un des fluides, dirigé contre la surface de séparation, est introduit sous surpression dans dans l'enceinte close, est dévie par la surface de séparation et ensuite guidé parallèle- ment à celle-ci, de sorte que, tout en faisant un apportd'énergie, il entratne le fluide environnant et lui imprime une circulation suivant des trajets de flux sensibSement fermés sur eux-mêmes, à la suite de quoi il s'établit une fine turbulence tourbillonnaire stable non-chaotique et homogène, qui imprime aux particules du- fluide des changements de position continuels perpendiculairement à leurs sens de translation locale, et qui, grâce à la circulation du fluide, se propage dans les trois dimensions à l'intérieur de l'enceinte close et engendre ainsi-dans cette dernière une turbulence totale/ Des particularités favorables de-ce procédé résident; entre autres, en ce que le jet libre est introduit dans l'enceinte close suivant une direction au moins approximativement perpendiculaire à la surface de séparation, et en ce que le flux encircu- lation est amené à repasser plusieurs fois sur cette-surface. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé~suivant l'invention est caractérisé par une chambre à turbulence remplie de fluide, dont une paroi constitue la surface de séparation~et dont la paroi limite, opposée à la surface-de séparation, est reliée à au moins une canalisation d'arrivée, à partir de laquelle le fluide à amener afflue dans la chambre à turbulence en un jet libre/ Une turbulence ainsi obtenue par voie hydraulique offre des tourbillons homogènes et notablement plus fins que ceux qui peuvent entre engendrés à l'aide d'éléments de résistance au flux classiques rapportés, qui produisent des tourbillons de Karman.La turbulence totale ainsi obtenue se propage sur-ltensemble de la surface de bsration, ce qui a pour effet de désagréger au moins partiellesent la couche limite et daméliorer notablement la transmission e chaleur. Quelques exemples de réalisation de l'invention sont représentés d'une manière schématique dans les dessins annexés. Sur la figure 1 est une coupe axiale du dispositif La figure 2 est une variante de ce dernier les figures 3 et 4 représentent chacune une forme de réalisation du dispositif suivant Aa figure 1 ; et La figure 5 est une vue en plan du dispositif suivant la figure 4, la paroi terminale étant enlevée. Suivant la figure 1, le dispositif pour améliorer la transmission de chaleur se compose d'une chambre à turbulence 3, dont une paroi est constituée par la surface de séparation 5. Dans la paroi limite 14, oPposée à la première, estprévue la canalisation d'arrivée 1, à laquelle afflue, sous surpression, le plus froid des deux fluides d'échange thermique (les flèches 7 indiquant l'entrée et la sortie de ce fluide), pour se diriger en un jet libre 2 vers la chambre à turbulence 3, à partir de l'embouchure 9 de cette canalisation. La canalisation de départ de ce fluide est désignée par 10. Il est avantageux que la chambre à turbulence soit soumise à une pression supérieure à la pression ambiante, afin que le fluide puisse circuler sans que l'on fasse appel à un système d'aspiration. Ce résultat est obtenu lorsque l'amenée à la canalisation d'arrivée I se fait à partir d'un réservoir situé à un niveau plus élevé ou à l'aide d'une pompe, et sous pression. l'autre fluide, plus chaud, se trouve sur la face opposée de la surface de séparation 5, à travers laquelle il cède au fluide froid, nommé en premier lieu, contenu dans la chambre à turbulence, une quantité de chaleur Q. le jet 2 est dirigé perpendiculairement contre la surface de séparation 5. Sur son trajet, ce jet entrain le fluide environnent, introduit antérieurement, sans pouvoir l'accélérer jusqu'à la vitesse propre de ce jet. il cède ainsi une partie de son énergie, dont il doit cependant conserver une partie suffisante pour pouvoir être dévié par la surface de séparation 5 et être ensuite dirigé parallèlement à celle-ci. Comme le jet frappe la surface de séparation au centre et perpendiculairement, le flux s'étale radialement dans toutes les directions, lèche les parois latérales de la chambre à turbulence 3 et retourne, le long de la paroi limite 14 opposée à la surface de séparation, vers le jet entra::Lt 2, ainsi qu'il est indiqué par la ligne de trajet 8. Grâce à cette circulation et à l'entraSnement des particules du fluide plus pauvres en énergie, l'ensemble du contenu de la chambre se voit imprimer une circulation constante, non-chaotique, avec trajets de circulation pratiquement fermés sur eux-mêmes, qui sont déaignés par 4. il ne s'agit toutefois pas d'une circulation stationnaire, car celle-ci se déplace en direction de la canalisation de départ 10, formant ainsi une sorte de spirale liquide. Par "oondition ~de flux non-chaotique" on doit entendre des conditions de circulation contrôlées déterminables, qui sont stables dans le temps et reproductibles à tout moment. Grâce a' l'amenée continue de fluide, à une vitesse plus élevée, au fluide qui est intialement au repos et qui, même en pleine marche, circule à une vitesse moindre, le jet libre cède ainsi qu'il a été mentionné plus haut, une partie de son énergie, laquelle est convertie, par des forces hydrauliques impulsionnelles et des forces dues à l'inertie, en une turbulence homogène avec tourbillons, lesquels sont localement constants et sont notablement plus fins que ceux engendrés par des éléments intérieurs rapportés. Cette turbulence à tourbillons fins se propage uniformément, grâce à la circulation du fluide , dans les trois dimensions, sur l'en- semble de la chambre à turbulence, de sorte qu'elle produit une turbulence totale et imprime aux particules individuelles du fluide des changements de position relativencontinuels, perpendiculairement à leur direction de translation locale. il est question de "turbulence totale" lorsque l'ensemble de l'espace considéré est entièrement occupé par la turbulence. Ce mouvement dtéchange agit dans la couche de turbulence 6 la plus proche de la surface de séparation 5, conjointement avec lteffet mécanique du jet incident, en particulier dans le sens de la dissolution de la couche limite 13 par activation des particules de la masse de celle-ci , ce qui équivaut à un rendement spécifique accru de ltéchange thermique.Ce processus est encore appuyé par la circulation forcée et continue du fluide, grâce à laquelle ce dernier est amené à passer plusieurs fois sur la surfasse de séparation, ce qui assure un accroissement de l'apport ou de la cession de chaleur, grâce à une meilleure utilisation des possibilités existantes, ce qui aboutit à une amélioration de lSconomie du procédé. La canalisation d'arrivée 1 plonge, sous la forme d'un tube, jusque dans la chambre à turbulence 3. De plus, elle peut se terminer par une tuyère à son embouchure, ce qui offre divers avantages du point de vue hydraulique. On peut faire débiter plusieurs jets dans la chambre à turbulence ; d'autre part, chaque jet peut frapper la surface de séparation obliquement ou latéralement. L'orifice de sortie du fluide de la chambre à turbulence ne doit pas nécessairement affecter la forme d'un tube, comme sur la figure 1, mais peut être constitué par une fente annulaire 11, suivant la figure 2. Lorsque la hauteur de la chambre à turbulence est trop importante par rapport à son diamètre ou à sa largeur, il peut arriver que des sphères de turbulence tournant en opposition par rapport au sens de la circulation se forment dans les régions distantes par rapport à la surface de séparation. Ces stères de turbulence ne contribuent aucunement à la transmission de chaleur, consomment inutilement de l'énergie et abaissent le coefficient d'utilisation de la chambre à turbulence. Par conséquent, il est avantageux d'adopter pour la chambre à turbulence des rapports dimensionnels tels que le flux en circulation lèche la paroi limite opposée à la surface de séparation, ce qui peut Outre atteint par calcul ou par des essais. La figure 3 représente un exemple d'une chambre à turbulence comprenant une série de conduits d'amenée 1 et un nombre correspondant de jets 2 dirigés vers la surface de séparation 5. Les conduits d'amenée sont alimentés à partir du collecteur d'alimentation 15 protégé par l'isolant 16 contre les pertes de chaleur, collecteur auquel est amenée la totalité du fluide d'alimentation, désigné nar i 7, à travers la canalisation 17.Il n'est pas nécessaire de subdiviser la chambre à turbulence en plusieurs espaces distincts, étant donné que lorsqu'on choisit-des paramètres hydrauliques judicieusement adaptés les uns aux autres, les trajets de flux turbulents 4 de la circulation s'ajustent automatiquement par rapport à leurs conduits d'amenée respectifs 1 ou à leurs jets respectifs 2. le collecteur d'alimentation 15 peut s'étendre sur plusieurs chambres à turbulence. Pour obtenir une plus grande surface de transmission de chaleur, ou bien, nour que celle-ci puisse résister à des pressions élevées dans le système , on peut donner à la surface de séparation une forme bombée ou courbe, par exemple celle d'une portion 'une sphère creuse, d'un ove creux, d'un cylindre ou d'un canez ce qui peut d'ailleurs faciliter l'établissement de la circulation. Il est à neine nécessaire de mentionner que, à titre de variante, le fluide plus chaud peut être présent iwans la chambre à turbulence et céder sa chaleur à l'extérieur, à travers la surface de séparation, au fluide froid. D'autre part, on peut prévoir sur les deux faces de la surface de séparation des chambres à turbulence identiques ou analogues, afin de réaliser ainsi une transmission intensive de la chaleur sur les deux faces de la surface de séparation. Cette disposition offre un avantage supplémentaire lorsque la chambre à turbulence pu ses canalisations de sortie sont disposées de telle manière que les sens d'écoulement des deux canalisations de sortie sont opposés l'un à l'autre. Comme, dans les deux chambres àturbulence, le flux de circulation en spirale se meut en direction de la canalisation de départ, la disposition en opposition qui vient d'être décrite permet de réaliser dans une certaine mesure le principe du contre-courant de la transmission de chaleur à travers la surface de sparation. Suivant une autre variante , plusieurs chambres à turbulence peuvent être branchées en parallèles ou en série sur une surface de séparation commune. lorsqu'on adopte un branchement en parallèle, il en résulte une disposition analogue à celle de la figure 3 ; toutefois, dans ce cas, la chambre à turbulence est subdivisée en plusieurs chambres individuelles, pour chacune desquelles on doit prévoir une canalisation de départ. Dans le cas d1un branchement en série, on dispose également d'un certain nombre de chambres à turbulence sur la mbme surface de séparation, les différentes chambres étant parcourues successivement par le même fluide .A cette fin, le fluide peut êtreaaené à la première chambre sous une surpression élevée appropriée, laquelle suffit pour la traversée de toutes les chambres, ou bien on peut au besoin intercaler entre les chambres des dispositifs générateurs de pression. la transmission de chaleur au niveau de la surface de séparation peut être améliorée, dans les systèmes décrits, par des moyens classiques. Ainsi, par exemple, il est avantageux de prévoir, conformément aux figures 4 et 5, plusieurs surfaces conductrices de chaleur 12, qui sont en communication de conduction thermique avec la surface de séparation et qui sont orientées dans le sens i flux. Une autre solution possible consiste à munir la surface de séparation d'un gaufrage, ce qui a pour effet d'augmenter la surface de transmission de chaleur. le procédé décrit ici peut être employé en principe avantageusement dans tous les systèmes où un échange de chaleur a lieu entre deux fluides dont au moins un est en mouvement. À titres d'exemples, on citera les réfrigérateurs, les réchauffeurs, les générateurs de vapeur, les condenseurs et les échangeurs thermiques de toute espèce, les fluides pouvant être liquides, gazeux ou pâteux et être soumis pratiquement à n'imposte quelle pression voulue ou au vide. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Procédé pour améliorer la transmission de chaleur entre deux fluides séparés par une surface de séparation, en réduisant l'épaisseur de la couche limite sur une face au moins de la surface de séparation, laquelle constitue sur cette face une paroi intérieure d'une enceinte close remplie d'un des fluides, caractérisé en ce qu'au moins un jet libre (2) d'un des fluides, dirigé contre la surface de séparation (5), est introduit sous surpression dans l'enceinte close, est dévié par la surface de séparation et ensuite guidé parallèlement à celle-ci, de sorte que, tout en faisant un apport d'énergie, il entratne le fluide environnant et lui imprime une circulation suivant des trajets de flux (4) sensiblement fermés sur eux-memes, à la suite de quoi il s'établit , une fine turbulence tourbillonnaire stable non-chaotique et homogène, laquelle imprime aux particules du fluide des changements de position continuels perpendiculairement à leur sens de translation locale, turbulence qui, grâce à la circulation du fluide se propage dans les trois dimensions à l'intérieur de 11 enceinte close et engendre ainsi dans cette dernière une turbulence totale. 20) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le jet libre (2) est introduit dans l'enceinte close suivant une direction au moins approximativement perpendiculaire à la surface de séparation (5). 30) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le flux en circulation est amené à repasser à plusieurs reprises sur la surface de séparation (5). 40) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'enceinte close est soumise à une pression supérieure à la pression ambiante. 5 ) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, caractérisé par une chambre à turbulence (3) remplie de fluide, dont une paroi constitue la surface de séparation (5) et dont la paroi limite (14), opposée à la surface de séparation, est reliée à au moins une canalisation d'arrivée (1), à partir de laquelle le fluide à amener afflue dans la chambre à turbulence (3) en un jet libre (2). 60) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la canalisation d'amenée (1) se termine à son embouchure (9) par une tuybre. 70) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé par une fente annulaire (11) formant l'ouverture de sortie pour le fluide à partir de la chambre à turbulence (3). 80) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que les dimensions de la chambre à turbulence (3) sont dans un rapport tel entre elles que le flux en circulation lèche la paroi limite (14) opposée à la surface de séparation (5). 90) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la surface de séparation (5) est bombée. 10 ) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé par au moins deux chambres à turbulence (3) contiguës à la surface de séparation (5) et parcourues en série Par au moins un fluide. 110) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé par au moins deux chambres à turbulence (3) contiguës à la surface de séparation (5) et alimentées à partir d'un collecteur d'alimentation commun (15). 120) Dispositif suivant la revendication 5 comPrenant sur chaque face de la surface de séparation, une chambre à turbulence munie d'une canalisation de départ pour le fluide, caractérisé en ce que les sens du flus sont opposés llun à l'autre dans les deux canalisations de départ (10). 130) Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé par des surfaces conductrices de -chaleur (12) reliées à conduction thermique à la surface de séparation (5) et orientées dans le sens du flux