Brevet FR2077452A1 — publié le 19711029

L'inventionS due aux travaux de messieurs Gérard BAUDIII et Bernard LESPINASSE de 1'Institut TI-tlonal des Science Appiz ées Qe LYOI; et de tionsieur Jean HUYGHE du Co aossariat à l'Energie Atomique, a pour objet un procédé d'amélioration du transfert thermique au travers d'une paroi de condensation ainsi que les condenseurs conformes à ce procédé.Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à lgamélioration du transfert thermique dans les condenseurs formés par des faisceaux de tubes horizontaux dans lesquels circule un fluide de réfrigération ; l'échange thermique s'effectue entre ce fluide et de la vapeur arrivant au contact de la paroi extérieure des tubes, provoquant ainsi sa condensation au voisinage de cette paroi. Dans le colt des condenseurs la surface d'échange prend une part très souvent prépondérante, cette surface étant notamment constituée par les tubes des condenseurs. Cette part est d'autant plus importante que le matériau constituant la paroi des tubes est plus coûteux. Or, l'emploi de matériaux coûteux est très souvent imposé par des problèmes de résistance à la corrosion, dans de nombreuses branches de l'industrie chimique, et plus particulièrement dans les usines de distillation d'eau de mer où, de surcroît, le nombre des condenseurs est très important.Un moyen d'abaisser le prix des condenseurs consiste à diminuer au maximum la surface d'échange par augmentation du coefficient de transfert thermique au travers des parois de condensation Pour améliorer le transfert thermique on a déjà pensé à revêtir la paroi d'un matériau capable de promouvoir la condensation en gouttes, notamment d'un matériau hydrophobe pour la condensation de la vapeur d'eau. En effet, la condensation de la vapeur conduit généralement à la formation d'un film liquide sur la surface extérieure des tubes et ce film de condensat constitue un obstacle à la condensation par la résistance thermique supplémentaire qu'il interpose entre la vapeur et la paroi de condensation. Si au contraire, cette paroi comporte un revêtement en matériau hydrophobe (pour la condensation de la vapeur d'eau) le condensat ne mouille pas le revêtement et le film liquide ne peut plus se former ; la condensation s'effectue principalement sous forme de gouttes qui ruissellent sur la paroi puis se détachent bientôt en tombant La surface recouverte de condensat est donc très réduite Toutefois, dans les condenseurs connus, 12emploi des revêtements hydrophobes n'a pas encore permis d'améliorer suffisamment lQéconomie des condenseurs En effet, le revêtement hydrophobe doit être suffisamment épais pour etre durable et le matériau hvdrcp @@e @@ent soit un métal noble coûteux soit un produit organique peu conducteur cette condition conduit aux inconvénients suivantes 10 = Dars le Ce5 u reite2e,nent hydrophobe métallique, d'or ou d'argent notamment le poids de mental à utiliser est loin dextre négligeable, de sorte que lgaugmentatlon du coefficient de transfert thermique est acquise au prix d'une augmentation sensible du colt spécifique des parois de condensation et que le gain final sur le coût du condenseur reste très faible, ou meme nul 20 5 Dans le cas des revetements hydrophobes en produits organiques, tels que le polytétrafluoréthylène, ces revêtements sont moins chers en général mais on rencontre une autre difficulté : ces produits organiques sont mauvais conducteurs de la chaleur, de sorte que le gain sur le coefficient de transfert thermique dû à la condensation en gouttes risque fort dextre annulé par la résistance thermique supplémentaire introduite par le revêtement hydrophobe Pour s'affranchir de ces inconvénients, notamment en diminuant le coût des condenseurs et en augmentant le transfert thermique global, la présente invention propose un procédé d'amélioration du transfert thermique au travers d'une paroi de condensation qui se caractérise en ce qu'il consiste à équiper ladite paroi, sur une partie seulement de sa surface, de moyens pour promouvoir la formation de gouttes lors de la condensation. Selon une première variante de ce procédé, on réalise sur la surface de ladite paroi des bandes de revêtement en matériau hydrophobe comprenant de préférence des parties horizontales ou sensiblement hori zontales Selon une deuxième variante, on réalise sur la paroi de condensation des protubérances déflectrices horizontales ou sensiblement horizontales qui, comme dans le cas précédent, facilitent à la fois la formation de gouttes et leur détachement de la paroi sous l'action de la pesanteur. Par ailleurs, il est parfois avantageux de combiner les deux variantes précédentes en réalisant à la fois des bandes de revêtement en matériau hydrophobe et des protubérances déflectrices Sous une forme de mise en oeuvre préférée de loinvention, appliquée à l'amélioration du transfert thermique dans des condenseurs constitués de faisceaux de tubes horizontaux ou sensiblement horizontaux et notamment cylindriques, on réalise au moins deux bandes de matériau hydrophobe et/ou deux protubérances déflectrices selon deux génératrices symétriques desdits tubes juste sous un diamètre horizontal On décrit ci-après quelques modes de mlse en oeuvre particuliers de l'invention choisis à titre deexemp,es9 mais non limitatifs0 Cette description se réfère aux r gule- @ à 3 ointes qui illustrent respecti- vement trois modes de réalisation de tubes condenseurs selon l'invention, réalisés conformement au procédé déflnl ci-dessus Dans les réalisations decrites, le procédé selon l'invention est appliqué à l'amélioration du transfert thermique au travers des parois de tubes qui constituent par assemblage le faisceau d'un condenseur tubulaire.Sur les figures on n'a représenté qu'un seul tube Dans les trois cas ces tubes sont destinés à être disposés horizontalement dans les condenseurs La figure 1 montre ainsi un tube de condenseur 1, cylindrique, sur la surface extérieure duquel on a réalisé deux bandes 2 et 3 en matériau hydrophobe Celui-ci est soit un métal noble tel que l'or ou l'argent, soit un produit organique tel que le polytetrafluoréthylène Ce matériau peut être deposé sur le tube par tous procédes connus, par exemple par pulvérisation. Les deux bandes hydrophobes 2 et 3 sont formés symétriquement sur le tube, le long de deux génératrices, juste au-dessous du diamètre horizontal du tube0 En fonctionnement la condensation de vapeur d'veau au contact de la surface extérieure du tube provoque la formation d'un film liquide sur la portion de sa surface non recouverte de matériau hydrophobe.Toutefois le liquide rulsselle en film depuis le demiwcylindre supérieur du tube, rencontre la bande de matériau hydrophobe et se détache alors du tube en tombant en pluie, Un film liquide se reforme en-dessous des bandes de matériau hydrophobe, mais à partir d'une épaisseur nulle, de sorte que le transfert de chaleur reste meilleur à ce niveau que dans des tubes sans matériau hydrophobe0 Dans un tel tune, le revêtement hydrophobe reste d'un coût faible tout en étant déjà très efficace En effet, 19augmentation du coefficient de transfert thermique due au revêtement hydrophobe discontinu, comme dans le tube décrit cl-dessus est supérieure à ce que l'on pourrait atteindre en tenant compte simplement du rapport des surfaces revêtues et non revêtues. La disposition des bandes de matériau hydrophobe adoptée dans la réalisation de la figure 1 est particulièrement avantageuse de ce point de vue. Toutefois l'invention n'est pas limitée à cette disposition Selon d'autres variantes on peut prévoir par exemple sur un tube cylindrique, des bandes de matériau hydrop@obe enroulées en une ou plusieurs spirales, parallèles ou croisées, @@ @es @@des formant un quadrillage constitué de génératrices et d anneaux perpendiculaires à ces génératrices.Ces varianres de réalisation ont plus particulièrement comme avantage de faciliter le montage des tubes dans le condenseur, puisque le plan médian horizontal des tubes n'est pas défini par la construction Dans la variante de la figure 2, la condensation en forme de gouttes est assurée grace à des protubérances 4 qui sQétendent le long du tube sensiblement au niveau des mêmes génératrices que les bandes 2 et 3 de la réalisation précédente En fonctionnement, elles ont un rôle déflecteur qui permet d'éliminer le film liquide provenant du demi-cylindre supérieur De telles protubérances peuvent être façonnées avec le tube. Mais, conformément à la variante de la figure 3, on peut également les remplacer par deux bandes déflectrices 5 fixées sur un bord tout le long des génératrices du tube Naturellement l'invention n'est nullement limitée aux réalisations particulières décrites ci-dessus à titre d'exemples. Elle en englobe au contraire toutes les variantes REVENDICATIONS 1 Procédé d'amélioration du transfert thermique au travers d'une paroi de condensation caractérisé en ce qu'il consiste à équiper ladite paroi. sur une partie seulement de sa surface de moyens pour promouvoir la forrna n de gouttes lors de la condensation 20 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte la réalisation sur la surface de ladite paroi de bandes de revêtement hydrophobe 30 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites bandes sont sensiblement horizontales 40 -- Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce quetladite paroi étant celle dau moins un tube horizontal de condenseur, notamment cylindrique, lesdites bandes comprennent deux bandes symétriques selon des génératrices dudit tube, juste sous un diamètre horizontal. 50 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte la réalisation sur ladite paroi de condensation, de protubérances déflectrices favorisant en fonctionnement le détachement du film liquide. 60 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que, lesdites parois étant celles d'au moins un tube horizontal de condenseur, notamment cylindrique, lesdites protubérances s'étendent sur deux génératrices symétriques dudit tube, juste sous un diamètre horizontal. 70 - Condenseur tel qu'obtenu selon l'une quelconque des revendications précédentes