Brevet FR2097188A1 — publié le 19720303

2AX2 1 2097188 L'invention concerne une installation pour le transport de chaleur et comportant un réservoir fermé muni d'un côté d'au moins une première paroi transmettant de la chaleur et, de l'autre côté, d'au moins une seconde paroi transmettant de la chaleur, réservoir qui 5 contient un fluide transportant de la chaleur, qui absorbe de la chaleur à travers la première paroi transmettant de la chaleur, tout en passant de l'état liquide à l'état vapeur et qui cède sa chaleur à la seconde pa-poir transmettant de la chaleur, tout en passant de l'état vapeur à l'état liquide, le réservoir contenant en outre une masse poreuse reli-10 ant la seconde paroi transmettant de la chaleur à la première paroi transr mettant de la chaleur de façon que tout le fluide condensé sur la seconde paroi transmettant de la chaleur puisse refluer à travers ladite masse par effet capillaire vers la première paroi transmettant de la chaleur. Des installations de ce genre sont connues, entre 15 autres des brevets américains N° 3.229.759 et 3«402.767« De telles installations permettent de transporter.de grandes quantités de chaleur pratiquement sans perte de température, sans utilisation d'un dispositif de pompage et sans utilisation de pièces mobiles. Du fluide liquide transportant de la chaleur , qui s'évapore à travers la première paroi trans-20 mettant de la chaleur, se déplace, à l'état de vapeur, vers la seconde paroi transmettant de la chaleur sous l'effet de la pression plus basse qui y règne par suite de la température locale plus basse. Ensuite, la vapeur se condense sur la seconde paroi transmettant de la chaleur, tout en cédant la chaleur d'evaporation à ladite paroi, après quoi le conden-25 sat est ramené par effet capillaire à travers la masse poreuse et à l'aide de la tensio-activité du condensât, à la première paroi transmettant de la chaleur pour y être évaporé à nouveau. La masse poreuse assure que, dans toute condition, le condensât puisse refluer de la seconde paroi transmettant de la chaleur 30 vers la première paroi transmettant de la chaleur, même à 1'encontre de la pesanteur ou sans effet de pesanteur. Dans le cadre de la présente demande de brevet, il y a lieu d'entendre par "masses poreuses", non seulement les masses constituées par exemple par des matériaux céramiques, des toiles de fil ou de bande, mais également des dispositions de tuyaux 35 et des systèmes de rainures ménagées dans la paroi du réservoir, en combinaison ou non avec l'une des susdites alternatives. La masse poreuse reliant la première paroi transmettant de la chaleur à la seconde paroi transmettant de la chaleur peut recouvrir entièrement ou partiellement la surface de la paroi. 40 Afin d'assurer que le processus d'évaporation-conden- 71 24322 2 2097188 sation du fluide transportant de la chaleur contenu dans le réservoir se déroule convenablement, le réservoir est normalement mis sous vide. Or, il se présente le problème que dans plusieurs cas, suivant le choix du fluide transportant de la chaleur, la pression de vapeur du fluide trans-5 portant de la chaleur contenu dans le réservoir est inférieure h celle de l'ambiance, et cela non seulement à la température ambiante normale, mais également à la température de fonctionnement élevée du dispositif permettant de transporter de la chaleur. C'est ainsi que si du sodium sert de fluide transportant de la chaleur dans le réservoir mis sous id.de, 10 la pression de vapeur est de 8 torrs (1 torr = 1 aa de la pression de mercure) à une température de 800°K et de 450'torrs à une température de 1100°K. Cela implique que, surtout dans les réservoirs de grandes dimensions présentant de grandes parois planes, ces parois sont soumises à une charge mécanique notable par suite de la pression atmosphérique., charge 15 qui sera encore plus élevée lorsque l'installation permettant de transporter de la chaleur fait partie d'une construction plus grande et que d'autres pièces de construction exercent une force sur le réservoir, par exemple le poids propre de l'installation. Or, aux températures de fonctionnement élevées auxquelles la rigidité des parois du réservoir est 20 notablement plus faible qu'à la température ambiante normale, cela se manifeste par la déformation (flexion) ou la fissuration des parois du réservoir, entraînant le risque d'implosion. Dans ce cas, la masse poreuse se détache de la paroi du réservoir et/ou sa structure capillaire peut être endommagée, de 25 sorte qu'elle n'assure plus le retour du condensât. D'une façon générale, il est impossible d'utiliser des parois plus épaisses et, de ce fait, plus solides, pour le réservoir, ceci à cause du poids, du prix de revient ou des dimensions admissibles, et de plus, les parois transmettant de la chaleur sont tenues à certaines 30 limites concernant l'épaisseur, ceci en vue de la résistance thermique. L'invention vise à fournir une installation du genre mentionné ci-dessus, dans laquelle lesdits inconvénients sont éliminés d'une façon simple et peu coûteuse. Afin d atteindre le but visé, l'installation conforme 35 à l'invention est remarquable en ce qu'on a disposé dans le réservoir un ou plusieurs éléments servant de support aux parois lu réservoir, afin de compenser les forces exercées à partir de l'extérieur, ces éléments de support admettant un courant de vapeur de fluide dans la direction où s'effectue le transport de chaleur. 40 Dans des conditions, les parois du réservoir conservent 71 24322 3 2097188 letLï" forme initiale, ce qui empêche la fissuration des parois, l'implosion ou les endommagements de la structure capillaire de la masse poreuse. En outre, la nasse poreuse se trouvant maintenue par les éléments de support, ne risque plus de se détacher de la paroi par suite des tensions 5 thermiques se produisant entre la paroi du réservoir et la masse poreuse ou sous l'effet de chocs ou de vibrations. Les éléments de support peuvent être constitués par des plaquettes métalliques perforées, éventuellement reliées entre elles, par des toiles'métalliques pliées en zig-zag ou par une structure de 10 tubes ou de tiges. Dans une autre forme de réalisation avantageuse d'une installation permettant de transporter de la chaleur conforme à l'invention, les éléments de support sont constitués par une masse de remplissage poreuse comprimée en matériau en forme de fil ou de bande, dont les 15 pores ont une grandeur telle que la relation: 2Ycos 8 ^ _ fi-2>cos Boit satisfaite , relation dans laquelle y représente la tensio-activité du fluide transportant de la chaleur à 20 l'état liquide 9 représente l'angle de contact du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide dans les pores de la masse poreuse R représente le rayon hydraulique des pores dans la masse poreuse représente l'angle de contact du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide dans les pores de la masse de remplissage 25 R.j représente le rayon hydraulique des pores dans la masse de remplissage ^ représente la perte de pression du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide dans la masse poreuse comprise entre la première paroi et la seconde paroi, par suite de la résistance de la circulation de 30 cette masse p représente le densité du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide g représente l'accélération provoquée par la pesanteur h représente la différence en hauteur entre la première et la seconde 35 paroi transmettant de la chaleur. Une telle n.asse de remplissage permet de remplir le réservoir d'une façon simple et peu coûteuse. Les fils ou les bandes peuvent être posés simplement dans le réservoir et ensuite comprimés, ce qui est avantageux dans le cas de réservoirs pour lesquels certaines par-40 ties de l'enceinte sont difficilement accessibles ou la compression, 71 24322 4 2097188 éventuellement suivie de frittage, y put être effectuée préfi.l».bl;-;;; La partie ;auche ie la relation ir.entior.née ci- ;»ssus représente la force capillaire résultante exercée sur le ~luide transportant '.le la onaleur 5 l'état liquide dans la masse poreuse, le rayon hy- r* î ■>* „ surface , 5 drauxioue H étant aefini corne 2.—s—:—r~r—:— des pores. peripnerie Pour un liquide déterminé, l'angle de contact 9, c'est à dire l'angle compris entre la surface du liquide et la paroi du pore, est tributaire du natériau de la faroi du pore et du caractère de la surface ie la paroi. Si, dans le présent cas, le imtériau de la masse de 10 remplissage poreuse diffère de celui de la masse poreuse, la montée capillaire peut différer pour un rayon hydraulique égal. En faisant en sorte de satisfaire à la susdite relation, la masse poreuse présente un effet d'aspiration pour le liquide supérieur à celui de la. masse de remplissage de façon qu'à l'endroit de la 15 première paroi, tout le condensât est absorbé par la masse poreuse et rien n'est absorbé par la masse de remplissage, tandis que dans la direction de la première vers la seconde paroi, le condensât ne circule pas de la masse poreuse vers la masse de remplissage. Le transport de vapeur de la première vers la seconde 20 paroi par la masse ie remplissage ne rencontre donc guère d'obstacles. En pratique, les pores de la masse :e remplissage doivent donc présenter un plus grand rayon hydraulique que les pores de la masse poreuse. ~;es dimensions relativement grandes des pores de la masse gradient le températures entre les deux parois transmettant de la chaleur aussi .etit que possible. Conformément à l'invention, comme matériau pour la inasse de remplissage on préfère utiliser de la laine d'acier. 30 La laine d'acier, d'un bas prix de revient, se laisse en outre facilement coiaprin.er er. toutes sortes de formes et peut absorber, à l'état comprimé, des pressions superficielles notables. La description ci-après, en se référant aux dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. 35 Les figures 1 à 4 représentent schématinuenent et non à l'échelle, quatre formes de réalisation d'une installation permettant :3e transporter de ] y. chaleur. La figure 1a représente une section longitudinale ■ d'un réservoir fermé désigné par le chiffre de référence 1. La fig. 1b 40 représente en section trvnsversale le mên.e réservoir selon le nlan Ib-Ib BP© ORIGINAL 71 24322 5 2097188 ie la fig. 1a. Le réservoir- 1 est muni, d'un côté,, d'une première paroi transmettant de la chaleur 2 et, da l'autre côte, d'une seconde paroi transmettant de 1s chal?ur 3» 3n outre, le réservoir 1 est isolé ther-aiiquement de 1 'ambiance. Sur la raroi intérieure .lu réservoir 1 est ar-5 pliquée une masse poreuse 4» qui présente une structure capillaire. Du reste, le réservoir est rempli d'une masse de remplissage poreuse 5» ?ui sert d'élément de support et qui est constituée ici par de la laine d'acier comprimée, dont la structure est plus grosse que celle ie la masse poreuse 4» en d'autres termes, les pores le la masse de remplis-10 sage 5 présentent de plus grand passages que ceux de la masse 4» Le réservoir contient en outre une quantité convenable de sodium servant de fluide transportant de la chaleur et est mis sous vide. Lors du fonctionnement de l'installation, du sodium 15 liquide absorbe de. la chaleur provenant d'une source de chaleur non représentée en détail sur le dessin, à travers la paroi transmettant 3e la chaleur 2, ce qui a pour effet d'évaporer le sodium. La vapeur circule ensuite à travers les pores de la masse de laine d'acier comprimée vers la seconde paroi transmettant de la chaleur 3 par suite de la plus basse 20 pression de vapeur, qui y règne à cause de la température plus basse se produisant à cet endroit et se condense sur cette paroi, tout en cédant la chaleur d'évaporation absorbée à la première paroi transmettant ie la chaleur 2. Le condensât reflue à travers la masse poreuse 4 par effet capillaire et à l'aide de la tensio-activité du condensât vers la première 25 paroi transmettant de la chaleur 2 pour y être évaporée à nouveau. Le retour du condensât s'effectue, quelle que soit la position du réservoir, donc même à l'encontre de la pesanteur ou même en l'absence de l'effet de pesanteur. Du fait que les sections des pores de la masse po* 30 reuse 4 sont inférieures à celles des pores de la masse de remplissage 5» tout le sodium condensé sur la seconde paroi transmettant de la chaleur 3 est aspiré dans les pores de la masse poreuse 4» Ainsi, il ne se produit aucun retour du condensât vers la première paroi 2 à travers la masse de remplissage 5> de sorte que tous les pores Lorsque l'installation permettant de transporter de la chaleur est arrêtée et que le réservoir se trouve à la température ambiante normale, aussi bien lorsqu'elle fonctionne à des températures 40 de fonctionnement comprises en;tre, par exemple, 600 et 800°C, la pression 71 24322 6 2097188 de vapeur du sodium contenu dans le réservoir est notablement inférieure à la pression atmosphérique. Notamment les parois supérieure et inférieure du réservoir subissent donc une charge mécanique notable, ''tant donné leur grande superficie. La masse ce remplissage poreuse constituée 5 ici par de la laine d'acier comprimée sert de support aux parois du réservoir. Ladite masse résiste suffisamment à la compression pour empêcher les parois du réservoir de fléchir, de se fissurer avec risque d'implosion ou pour éviter 1'endommagement de la structure capillaire de la masse poreuse 4 ou le détachement de cette masse de la paroi et son en-10 lèvement. Les pièces réprésentées sur les figures 2 et 4 correspondant à celles utilisées dans la fig. 1 portent les mêmes chiffres de référence. Le fonctionnement des installations représentées sur ces figures est identique à celui selon la fig. 1 et se passe de commentaires. 15 Dans l'installation représentée sur la fig. 2, les éléments de support sont constitués par plusieurs plaquettes métalliques 6, qui sont disposées perpendiculairement à la direction du transport de chaleur et qui comportent plusieurs perforations 7 que peut traverser du fluide transportant de la chaleur à l'état de vapeur en circulant de la 20 première vers la seconde paroi transmettant de la chaleur. Les plaquettes i 6 sont fixées à 1 aide de poutrelles 8 qui servent également de supports. La fig. 3 montre une installation permettant de transporter de la chaleur, dans laquelle l'élément de support est constitué par line structure de poutrelles 9 et de poutrelles transversales 10, qui 25 sont reliées entre elles.Le transport du fluide à l'état vapeur entre la première paroi 2 et la seconde paroi 3 s'effectue dans une direction parallèle aux poutrelles 9 à travers les ouvertures rectangulaires limitées par les poutrelles transversales 10. La fig. 4 représente un dispositif permettant de trans-30 porter de la chaleur :!ans lequel l'élément de support est constitué par une toile métallique 11 pliée en zig-zag. Le fluide transportant de la chaleur circule à l'état de vapeur à travers les mailles de la toile 11 entre la première et la seconde paroi transmettant de la chaleur. Les forces exercées par la pression atmosphérique sur les grandes surfaces 35 des parois supérieure et inférieure du r'servoir 1 sont, au moins partiellement, compensées par les deux parois transmettant de la chaleur 2 et 3, par l'intermédiaire de la toile 11. Bien que l'on n'ait représenté que quatre formes de réalisation des éléments de support, il est évident que de nombreuses 40 variantes sont possibles.sans sortir du cadre de la présente invention. bad original 71 24322 7 2097188 De plus, l'application des éléments Je support n'est pas linitée aux installations transportant e la chaleur, îont le r«ser'-'cir vr'r°nte une section r^ctar.^ulf ire, mais ils ; - uv«»nt âtre lurent utilisés j:r>ur les réservoirs présentant uc« autre forme, i ar BAD orig^^* 71 2^322 » 2097188 RKV^ioICATIOKSs 1. Installation pour le transport de chaleur et comportant un r'savoir fermé muni d ' un oc te d ' moins ur,° première paroi transmettant 'e la chaleur et, de l'autre côté, d'au iroins un*3 seconde paroi t.ransmettant de 1& chalnur, réservoir qui contient un rlui.de transportant le 1-. chaleur, qui absorbe :1e 3t- chaleur à travers la jremière pçroi transmettant ;e la chaleur, tout *n j.asr.ant de l'état liquide à l'état vj! eur »t qui cède sa chaleur à la seconde rt «troi transmettant de 1s. a leur, tout an passant ie l'état Y..tur * l'état licuide, le réservoir oor. tenant • r. outre une masse poreuse reliant la seconde paroi transmettant .e la ci.aleur à la première paroi transmettant le la chaleur de façon que tout le fluide condensé sur la seconde paroi transmettant de la cheleur puisse refluer à travers ladite masse par effet capillaire v-rs la première paroi transmettant de la chaleur, caractérisée en ce qu'on a disposé dans le réservoir un ou plusieurs éiomonts servant de support aux parois du réservoir, afin de compenser les forces exercées à partir de l'extérieur, ces éléments de support admettant un courant de vapeur de flui'e dans la direction où s'effectue le transport ie chaleur. 2. Installation permettant de transporter de la chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de support sont constitués par une masse de remplissage poreuse comprimée en rnaté-"iau en ferme de fil ou rie bande, dont les pores ont une grandeur telle que la relation: 2 y cos 0 / A , 2Ïcos ©•„ —g a r - /°«h> ^ 1 soit satisfaite , relation dans laquelle y représente la tensio.activité du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide 8 représente l'angle de contact du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide dans les pores le la masse poreuse R r-pr'sente le rayon hydraulique des pores dans la masse poreuse ©1 représente l'ongle de contact du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide dans les pores de la masse de remplissage R.j représente le rayon hydraulique des pores dans la masse de remplis- p G :ra *- o'*■" fcp représente la perte le pression du fluide transportant de la chaleur à l'état liquide dans la nasse poreuse comprise entre 3a première paroi et la seconde paroi, par suite de la résistance de la circulation de cette masse. pi représente la densité âu fluide transportant de la chaleur à l'état BAD ORIGINAL 71 24322 9 2097188 liquide g représente l'accélération provoquée par la pesanteur h représente la différence en hauteur entre la première et la seconde paroi transmettant de la chaleur. 3. Installation permettant de transporter de la chaleur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau est constitué par de la laine d'acier.