Brevet FR2061505A1 — publié le 19710625

L'invention a pour objet des échangeurs de chaleur industriels dans lesquels circulent deux fluides séparés par une mince paroi de forme sphérique, ainsi que leur procédé de fabrication. On connait de nombreux modèles d'échangeurs de chaleur comportant des tubes ou des plaques échangeurs, auxquels on demande de satisfaire à de nombreux critères : - grande surface d'échange par rapport b leur masse, - parois minces séparant les fluides échangeurs, - pertes de charge faibles - variation de section de canaux évitant le régime laminaire' ce qui doit conduire à un coefficient d'échange élevé. - matériau constituant bon conducteur de la chaleur. L'invention vise à l'obtention, dans une large mesure, de ces qualités pour un modèle nouveau d'échangeur de chaleur fabriqué suivant les techniques faisant aussi partie de l'invention. On considère un empilement compact de billes creuses écrasées à leurs points de contact et dont les espaces intérieurs communiquent, L'un des réseaux de circulation de fluide est constitué par la porosité interne des billes. L'autre réseau est constitué par la porosité entre les billes. La figure 1 donne une coupe schématique de cet empilement et indique l'emplacement des deux réseaux Bt et R2. La paroi des billes constitue la surface de séparation des deux fluides, c'est à dire la surface d'échange. On peut concevoir soit un empilement tridimonsionnel de billes, soit une succession d'empilement bidimensionnel. Dans ce dernier cas, seules les billes d'une couche communiquent entre elles, ce qui donne une série de réseaux parallèles (figure 2a). Ces couches de billes communiquent à une de leur extrémité de façon à obtenir une tubulure de sortie, ainsi que le montre la figure 2b. Deux cotés opposés (plan A1 et A2) sont reliés à un réseau, deux cotés sont bouchés (C1 et C2) ; la porosité externe des billes sera communicante sur les dem cotés gui n' ont pas été utilisé (B1 et B2) pour le premier réseau. Les exemples suivants, donnés B titre indicatif et non limitatif feront mieux comprendre l'invention. EXtE 1 Cet exemple concerne la réalisation d'un échangeur en carbone. On réalise un empilement de billes de cuivre de diamètre 4 mm dans un poule en carbone de forme parallélépipédique. Sur deux faces opposées du parallélé pipée on place des plaques de cuivre. On fritte alors les billes et les plaques de cuivre sous eharBe à une température de 9000 C et une pression de 6 kg/cm de maniera à obtenir un empilement compact avec des zones de contact constituées par les parties écrasées des billes (le diamètre de la calotte sphérique est d'environ 1 mm). Les plaques de cuivre se trouvent frittées aux points de contact avec les billes. On effectue ensuite un dépit de carbone pyrolytique étanche sur toutes les surfaces des billes par oraquage d'hydrocarbure à 9000 C à la pression atmosphérique. L'épaisseur de ce dépôt dépend de la durée du traitement, elle est par exemple de 0,4 mm pour une durée de traitement de 100 heures. On élimine enfin le cuivre soit en l'attaquant par l'acide nitrique après refroidissement, soit en le faisant fondre aprbs l'opération de craquage en élevant la température du four à 1 100 C . Ainsi que le montre la figure 3, le fluide traversant la porosité interne des billes passe par les plans A'1 et À'2 où étaient les plaques de cuivre. En effet, la porosité interne débouche au niveau de ces plans par les zones où il y avait contact entre les plaques et les billes. Le fluide traversant la porosité externe passe à travers les plans B'1 et B' ou C'1 C' . EXEMPLE 2 Cet exemple concerne la réalisation d'un échangeur en cuivre. On réalise un empilement compact de billes en carbone collées en leurs points de contact, sur lequel on dépose du cuivre par électrolyse. On élimine ensuite les billes de carbone par oxydation, et l'on réduit 1' oxyde de cuivre formé par re-cuisson en présence de gaz réducteur. Ces deux exemples conoernent des échangeurs de chaleur dans lesquels les empilements de billes creuses constituant la paroi d'échange ont une structure tridimensionnelle. L'exemple 3 suivant, par contre, concerne un échangeur de chaleur dans lequel les empilements de billes creuses constituant la paroi d'échange ont une structure bidimensionnelle. EXEMPLE 3 On réalise deux types de plaques relief bidimensionnel - le premier type représentant le circuit interne aux billes, - le deuxième type représentant le circuit externe aux billes. Ces plaques relief sont en matériau facilement éisable'. Par exemple, elles peuvent Outre obtenues par moulage de sel marin additionné de 10 % de phosphate d'aluminium, suivi d'un traitement thermiqiie à 200 C. On empile alternativement dans un ioule une plaque relief sur l'autre en laissant une faible distance constante entre chaque plaque. cet espace constituera la paroi de séparation des deux réseaux. La figure 4 montre en 1 le relief interne correspondant au circuit interne futur des billes, et en 2 le relief externe correspondant au circuit externe futur des billes. L'ensemble moule et plaques "reliefs" est porté dans un four à la température d'environ 8000C, et sur le moule on pose un jet d'un alliage à base d'aluminium. Quand l'alliage est fondu, on l'injecte dans l'espace 3 laissé entre les plaques soit par simple gravité, soit par l'application d'une pression. Âpres refroidissement et démoulage, on élimine les plaques reliefs. Dans le cas où elles sont constituées par du sel marin additionné de phosphate d'aluminium, leur élimination se fait par dissolution dans l'eau. La jonction (en série ou en parallèle) de deux séries de réseaux internes et externes des billes, ainsi que les.tubulures d'entrée et de sortie de ces réseaux, sont obtenues directement au cours de l'inåection par la forme appropriée des plaques reliefs. Pour celà les plaques reliefs sont prolongées aux deux extrémités par des réglettes également en matériau destructible. L'empilement des deux types de plaques reliefs s'effectue de telle sorte que les réglettes d'une sorte de plaques soit à 900 des réglettes de l'autre sorte de plaques. Les réglettes des plaques correspondant au réseau interne sont en contact entre elles, les réglettes des plaques ccrw respondant au réseau externe sont également en contact entre elles. L'empilement ainsi formé est mis dans un moule parallélépipédique de façon ce que la paroi du moule soit à une distance muni de quatre ouvertures tubulaires9 deux à deux diamétralement opposées, correspondant chacune a' un ensemble de réglettes C'est par ces tubulures que l'aluminium fondu est inject Âpres refroidissement, on démoule le bloc d'aluminium et on élimine9 comme indiqué précédemment, les plaques reliefs et les réglettes. Les figures 5 et 6 représentent des coupes de l'échangeur finalement obtenu La figure 5 est une coupe suivant une direction parallèle à l'une des faces de l'échangeur. On voit sur cette figure en 4 les parois métalliques, en 5 le réseau "interne" où circule l'un des fluides, en 6 le réseau "externe" où circule l'autre fluide ; 7 et 8 sont les tubulures d'entrée et de sortie du réseau interne La figure 6 est une coupe perpendiculaire à celle représentée figure 50 On voit sur cette figure en 4 les parois métalliques, en 5 le réseau interne où circule l'un des fluides, en 6 le réseau externe où circule l'autre fluide t 9 et 10 sont les tubulures d'entrée et de sortie du réseau esterne REVEND lC ÂT iONS 1 - Echangeur de chaleur constitué par un empilement compact de formes sphériques creuses à parois minces dont les espaces intérieurs communiquent, et dans lequel circulent deux fluides, un desdits fluides circulant à travers la porosité interne des formes sphériques, l'autre circulant à travers les espaces existant entre les dites formes, les parois minces desdites formes constituant la surface d'échange. 2 - Echangeur de chaleur suivant revendication 1, dans lequel ledit empilement peut être bidimensionnel tridimensionnel. 3 - Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur suivant revendications 1 et 2, consistant à réaliser un empilement de sphères ou de formes moulées convenables en un matériau facilement éliminable, à recouvrir lesdites sphères ou formes par le matériau définitif, et enfin à éliminer le matériau constituant lesdites sphères ou formes0 4 - Procédé de fabrication suivant revendication 3, dans lequel on réalise un empilement de billes en cuivre dans un moule de forme parallélépipédique ; sur deux faces du parallélépipède, on place deux plaques également en cuivre ; on fritte alors l'ensemble billes et plaques de cuivre de manière à obtenir un empilement compact, puis on recouvre l'ensemble fritté obtenu de carbone pyrolytique provenant du craquage d'hydrocarbure, et enfin on élimine les billes et les plaques de cuivre par tout procédé convenable. 5 - Procédé de fabrication suivant revendication 3, dans lequel on réalise un empilement compact de billes de carbone que lton cuivre par électrolyse et qu'on élimine ensuite par combustion. 6 - Procédé de fabrication suivant revendication 3, inspiré de réseaux bidimensionnels de sphères superposés, dans lequel on moule et fritte des formes convenables en un matériau facilement éliminable que l'on empile, puis on injecte autour de ces formes un métal fondu, et enfin, après solidification du métal, on élimine lesdites formes. 7 - Applications de8 échangeurs revendiqués précédemment.