Brevet FR2113897A1 — publié le 19720630

«309 1 2113897 L'invention concerne un procédé pour améliorer le transfert thermique au niveau de! "surfaces échangeuses de chaleur sur lesquelles s'écoule un fiuide qui absorbe ou qui délivre de la chaleur, ainsi qu'un dispositif pour la réalisation du procédé. 5 Dans le transfert thermique au niveau d'une surface échan geuse de chaleur -le terme "échange de chaleur" désignant aussi bien une émission qu'une absorption de chaleur - le fluide qui y participe est dirigé sous une forme plus ou moins libre sur cette surface et, dans ces conditions, il suit, le long de la surface 10 à balayer, une trajectoire non contrôlée, presque aléatoire. En fait, il emprunte le trajet de moindre résistance qui est souvent aussi le plus court et, pourccette raison, chacune des particules individuelles du fluide ne balaye qu'une seule fois un élément de la surface avec lequel elle entre en contact et, en aucun cas, 15 tous les éléments d'une surface échangeuse de chaleur, ce qui se traduit par une limitation du transfert thermique à un coefficient de conductibilité calorifique relativement faible. L'invention a pour but d'assurer, par un trajet forcé contrôlé du courant des particules de fluide, un parcours de contact 20 aussi prolongé que possible sur la surface servant au transfert thermique et, en conséquence, un coefficient élevé de conductibili té calorifique. Conformément à l'invention, ce but est atteint par le fait que l'écoulement est réalisé sous forme alternative, en ce sens 25 qu'il effectue un mouvement essentiellement de translati-on dans une première zone et un mouvement de rotation dans une seconde -zone, tandis qu'il est guidé au moins en partie le long de la surface échangeuse de chaleur dans la seconde zone. Selon un mode de réalisation préféré de ce procédé, le flui 30 de parcourt dans la seconde zone une trajectoire en hélice. Selon une caractéristique avantageuse de ce mode de réalisation, line partie seulement du fluide parcourt, dans la seconde zone, la totalité de la trajectoire en hélice, tandis que le re'ste du fluide n'est introduit qu1ultérieurement et, dë la sorte, ne parcourt 35 qu'une partie restante de la trajectoire. 'Un dispositif pour la réalisation du procédé comporte une chambre qui est subdivisée en une premièr.e ret une seconde zones 71 40309 2 2113897 dfécoulement, limitées au moins en partie par la surface échangeuse de chaleur, avec admission du fluide sous pression dans la première zone d'écoulement, à partir de laquelle il pénètre, en traversant un dispositif conducteur, en au moins un jet essentielle-5 ment de translation, dans la seconde zone d'écoulement que le fluide traverse en tournant pour la quitter ensuite. Un courant dit "de translation" peut être défini comme un écoulement selon lequel le fluide, soumis à une différence de pression, parcourt une trajectoire qui peut être considérée plus 10 ou moins comme la plus caurt-e, c'est-à-dire pratiquement en direction directe, par exemple à travers une chambre, une conduite ou une buse. Dans la seconde zone, le fluide ne s'écoule pas selon la trajectoire directe, c'est-à-dire la plus courte, mais est soumis 15 à iin courant de rotation. Le qualificatif "de rotation" s'applique ici à tout écoulement circulant autour d'un axe, comme par exemple un courant puisé, un courant de rotation ou un couraïit de giration ainsi qu'un mouvement de roulement du fluide, ou une combinaison de ces courants. Si, dans ces conditions, il lui est encore impri-20 mé un mouvement secondaire d'avance, de préférence en direction axiale, chaque particule du fluide décrira une trajectoire hélicoï dale. De cette manière, le fluide forme un rouleau qui progresse dans la direction axiale à travers la zone d'écoulement, rouleau dont la section n'est toutefois pas nécessairement circulaire -25 par exemple lorsque la zone d'écoulement a line forme quadrangulai-re - et peut même avoir un diamètre variable le long de l'axe. Si l'on parvient déjà, avec tin écoulement de rotation pure, à une élévation notable du transfert thermique en comparaison de l'écoulement de translation, en raison du brassage amélioré du 30 fluide, on peut encore obtenir une élévation additionnelle du coef ficient de conductibilité calorifique par un écoulement à trajectoire hélicoïdale. Par un écoulement de ce genre, le trajet parcouru par le fluide en balayant la surface échangeuse de chaleur dans le procédé généralement adopté jusqu'ici est multiplié et il 35 en résulte une meilleure, exploitation de la surface existante ou un rendement égal pour une plus petite surface. Dans ces conditions, le fluide qui prend part à l'échange de chaleur peut être 71 40309 3 2113897 liquide, gazeux ou sous toute autre forme susceptible d'écoulement . Le procédé de l'invention et des exemples d'exécution de celle-ci vont être expliqués de façon plus détaillée en référence 5 aux dessins annexés. - La figure 1 illustre l'idée fondamentale du procédé, sous une forme schématique. - La figure 2 est une coupe longitudinale d1 un dispositif à plusieurs chambres disposées en série les unes derrière les 10 autres. - La figure 3 est une vue de dessus, à échelle agrandie, d'une chambre dont la plaque-couvercle a été retirée. - La figure 4 est une coupe passant par la ligne 1Y-1V de la figure 3. 15 - La figure 5 illustre une variante par rapport à la figure 3. - La figure 6 est une coupe passant par la ligne VI-VI de la figure 5. Les différentes phases du procédé sont visibles sur la 20 figure 1. Le fluide en mouvement est tout d'abord guidé en translation dans une première zone désignée par 1 , ce qui a pour effet d'aligner et d'uniformiser ses lignes.de courant. Puis, par mie trajectoire aussi courte que possible, de préférence avec élévation de la vitesse et éventuellement à la suite des déviations 25 nécessaires, il est rapproché de la surface échangeuse de chaleur 4 dans une seconde zone, selon un angle quelconque ou parallèlement à cette surface, et il est mis en rotation. Il est avantageux d'imprimer additionnellement au courant rotatif une composante axiale, d'où il résulte que la trajectoire 2 est hélicoïdale. 30 Dans ces conditions, le fluide est dirigé le long de la surface échangeuse de chaleur, de façon continue ou avec des interruptions, selon la construction du dispositif. Plus la composante circonfé-rentielle est élevée par rapport à la composante axiale du courant, plus il y aura d'éléments de la surface échangeuse de cha-35 leur à être touchés par chaque particule individuelle du fluide et, en conséquence, le transfert thermique sera d'autant plus efficace et."la surface échangeuse de chaleur sera d'autant mieux 71 40309 4 2113897 mise à profit. Il s'est avéré qu'il est avantageux de choisir, pour la vitesse maximale du courant dans la trajectoire hélicoïdale, c'est-à-dire à la périphérie extérieure du rouleau de fluide qui progresse, une valeur au moins"^"fois plus grande" que sa 5 composante axiale. Il est évident que le courant de translation peut déjà balayer la surface échangeuse de chaleur dans la première zone. On a constaté qu'il est possible de parvenir à une meilleure utilisation de la surface échangeuse de chaleur et, par suite, 10 à un effet plus élevé si cette surface n'est pas simplement touchée par une seule ligne de courant hélicoïdale, qui met en mouvement la totalité du fluide., mais par une multiplicité de lignes de courant plus petites, dont chacune ne fait intervenir qu'une partie du fluide. 1 5 Pour parvenir à vin brassage constant du fluide et, par suite à une uniformisation de la température dans le fluide, favorable au transfert thermique, une quantité additionnelle de fluide peut être introduite le long de la trajectoire hélicoïdale, ce qui permet d'éviter en même temps le prélèvement d'énergie résultant 20 du frottement et la réduction de vitesse qui en résulte. Au cas où la variation de température du fluide ne serait pas encore suffisante à la suite de la seconde zone et où la. trajectoire de contact avec la surface échangeuse de chaleur devrait être prolongée, il est possible de répéter la traversée des zones. Dans ces 25 conditions, le courant est de nouveau calmé et aligné dans une première zone, puis remis en rotation. Dans toutes les zones, en supposant une alimentation constante en: fluide, l'écoulement est stable, c'est-à-dire que le genre et la forme des trajets de courant restent constants. 30 • Le dispositif représenté sur la figure 2 est composé de quatre chambres individuelles 3 rémies en un ensemble, chacune d'entre elles étant par elle-même susceptible d'un fonctionnement « autonome. Le fluide pénètre sous pression dans le dispositif et le parcourt dans la direction des flèches. -Chaque chambre est di-35 visée par la cloison 5, qui rejoint la surface échangeuse de chaleur 4 par la partie 12 et qui s'étend obliquement vers le haut par rapport à la direction générale du courant, dans la première 71 40309 2113857 zone d1 écoulement 9 et la seconde son® d écoulement 10» Le fluide qui pénètre dans la première zone d'écoulement 9 est guidé le long de la cloison 5 vers la fente 7 (figures 3 et 4) qui est limitée par la paroi latérale 8 de la chambre 3 et la paroi 6 qui 5 prolonge la cloison 5. La paroi limite 6 ne s'étend pas jusqu'à la surface échangeuse de chaleur 4, mais se termine avant celle-ci et laisse ainsi libre un orifice de sortie 11 par lequel le fluide pénètre en un jet dans la seconde zone d'écoulement. Du fait de l'introduction du fluide dans la seconde zone 10 d'écoulement dans la direction de la surface échangeuse de chaleur 4, il est dévié par cette surface et mis en un mouvement de rotation qui se transforme, du fait de l'arrivée permanente de fluide, en une trajectoire hélicoïdale 2 (figure 4)* qui se déplace de droite à gauche en considérant la figure 2. Il résulte 15 de la construction que, du fait de l'inclinaison de la cloison 5, le diamètre des lignes de rotation-2 augmente constamment au fur et à mesure de l'avance en direction axiale. Etant donné que la fente 7 s'étend sur toute la longueur de la chambre 3, du fluide frais et, par suite, un apport d'énergie sont introduits en.con-20 tinu dans la seconde zone d'écoulement, le long de la trajectoire hélicoïdale. La cloison 5 peut aussi être disposée, parallèlement à la surface échangeuse de chaleur 4, ce qui rend la construction plus simple, mais est un peu moins favorable au point de vue de la Bisea-25 nique des fluides et en ce qui concerne l'utilisation rationnelle de la surface échangeuse de chaleur. Par la disposition immédiatement successive de plusieurs chambres, avec introduction directe du fluide qui sort d'une chambre dans la chambre suivantes on peut parvenirv au point de 30 vue de la mécanique des fluides, au minimum de pertes par frottement et, au point de vue de la construction, aux dimensions minimales de l'ensemble. Le fluide peut aussi parcourir à plusieurs reprises la même chambre, auquel cas il est possible d'intercaler, dans la conduite de recyclage, un dispositif de circulation pour 35 compenser les pertes de courant. Les figures 5 et 6 illustrent une variante de la forme d'exécution décrite. La fente 7, limitée par les parois 6, est 71 40309 2113897 disposée au milieu de la chambre 3 et le fluide l'atteint des deux côtés en suivant les trajectoires 1. D'après cette disposition, il se forme, dans la seconde zone d'écoulement 10 ainsi divisée, deux trajectoires de rotation 2 de part et d'autre de la fente 7. 5 L'avantage de cette forme d'exécution est d'ordre constructif et consiste avant tout en ce qu'il est possible de réaliser.un mode de construction symétrique plus compact. Il convient de mentionner ici qu'il est évidemment possible de prévoir aussi une fente d'entrée des deux côtés de la chambre 10 ou même d'en répartir plusieurs sur toute la largeur de la chambre. Dans ces cas, les courants rotatifs se touchent, mais ils peuvent cependant se former. En outre, les fentes peuvent se resserrer vers la sortie du fluide, par exemple par une convergence des surfaces limites ou une exécution en forme de buse, d'où il 15 résulte que le fluide subit une accélération vers sa sortie.. En tout cas, la vitesse maximale dans la fente ne doit s'établir qu'à la sortie du fluide dans la seconde zone d'écoulement. Pour favoriser la formation du courant rotatif, les parois limites 6 peuvent être prolongées et rabattues (ce qui est indiqué en traits 20 discontinus sur les figures 4 et 6 et désigné par 13), d'où il résulte que le fluide pénètre dans la seconde zone d'écoulement 10 parallèlement à la surface échangeuse de chaleur. La formation du courant rotatif peut aussi être favorisée par un bombement de la surface échangeuse de chaleur, auquel cas 25 elle s'adapte mieux aux trajets de courant par une courbure convexe. Cela peut aller jusqu'à ce que la chambre prenne la forme d'un tube. Mais cela ne signifie pas que la surface échangeuse de chaleur ne peut pas présenter aussi me courbure concave, au cas où une telle disposition se révèle avantageuse ou la forme de la 30 surface échangeuse de chaleur est prescrite. Par ailleurs, l'axe de la trajectoire hélicoïdale peut être courbe, par exemple lorsqu'on veut éviter la forme oblongue des chambres montées suc- * cessivement en série. Il est inutile de souligner que les chambres peuvent- être dispesées également des deux c.ôtés de la surface 35 échangeuse de chaleur. Au lieu que la cloison 5 se prolonge en paroi limite 6 pour former la fente, il peut être suffisant, notamment lorsque la 71 40309 7 2113897 chambre 3 n'est pas très haute, de prévoir un seul ou même plusieurs orifices de passage dans la cloison, lesquels peuvent être ronds, ovales ou d'une autre forme, disposés en une série continue ou remplacés par une fente allongée. En outre, à chaque 5 orifice de passage peut se raccorder un tube de même forme qui est dirigé vers la surface échangeuse de chaleur et qui peut être rabattu à son extrémité libre, pour produire un effet semblable à celui du rebord 13 des parois limites 6. Dans ces conditions, la cloison 5 peut également s1 étendre parallèlement à la surface 10 échangeuse de chaleur 4 ou s'en rapprocher dans le sens du courant, d'où il résulte forcément que le diamètre des trajectoires de rotation diminue le long de l'axe. Pour utiliser, en vue du transfert thermique, des parois qui sont balayées par le fluide mais qui n'appartiennent pas à la 15 surface échangeuse de chaleur '- par exemple les parois latérales 8 de la chambre 3 - il est avantageux de les raccorder par une jonction conductrice de la chaleur à la surface échangeuse. Aux mêmes fins, on peut utiliser des nervures qui sont formées dans la seconde zone d'écoulement, s'étendent dans la direction de -la 20 trajectoire hélicoïdale du fluide au point considéré et sont raccordées par une jonction conductrice de la chaleur à la surface échangeuse et aux parois latérales de la chambre - ou aux deux. 71 40309 O 2113897 REVENDICATIONS 1Procédé pour améliorer le transfert thermique au niveau de surfaces échangeuses de chaleur sur lesquelles s'écoule un fluide qui absorbe ou qui délivre de la chaleur, caractérisé par le fait que l'écoulement est réalisé sous forme alternative, en 5 ce sens qu'il effectue un mouvement essentiellement de translation 1 dans une première zone et un mouvement de rotation dans une seconde zone, étant guidé au moins en partie le long de la surface échangeuse de chaleur 4 dans la seconde zone. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le 10 fait que le fluide parcourt une trajectoire hélicoïdale 2 dans la seconde zone. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le diamètre de la trajectoire hélicoïdale 2 varie le long de l'axe de celle-ci. 15 4.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'axe de la trajectoire hélicoïdale 2 est courbe. 5.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'une partie seulement du fluide parcourt la trajectoire hélicoïdale complète 2 dans la seconde zone, tandis que le reste 20 du fluide n'est introduit qu'ultérieurement et ne parcourt ainsi qu'une partie restante de la trajectoire 2. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le fluide est introduit en continu le long de la trajectoire hélicoïdale 2. 25 7.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le courant translatoire 1 se rapproche selon un angle quelconque de la surface échangeuse de chaleur 4. 8.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la vitesse maximale de rotation du fluide dans la seconde 30 zone est au moins égale à la vitesse maximale d'écoulement de translation dans la première zone. 9.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la vitesse maximale du. courant dans la trajectoire hélicoïdale 2 dans la seconde zone est au moins Tf fois plus grande' 35 que sa composante axiale. 71 40309 " 21138S7 10.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le fluide parcourt à plusieurs reprises les deux zones. 11.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le fluide parcourt alternativement plusieurs premières 5 et secondes zones. 12.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'au moins une trajectoire hélicoïdale 2 s'étend en prenant contact avec la surface échangeuse de chaleur 4 à l'intérieur du fluide environnant, sans impliquer celui-ci en totalité 10 dans son mouvement de rotation. 13.- Dispositif pour la réalisation du procédé selon la revendication 1, caractérisé par une chambre 3 qui est subdivisée en une première 9 et une seconde 10 zones d'écoulement limitées au moins partiellement par la surface échangeuse de chaleur 4t 15 avec introduction du fluide sous pression dans la première zone d'écoulement 9, à partir de laquelle il pénètre, à travers un dispositif de guidage 5, 6, en formant au moins un jet animé essentiellement d'un mouvement de translation, dans la seconde zone d'écoulement 10 que le fluide traverse en tournant pour la quitter 20 ensuite. 14.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par-une cloison 5 qui sépare l'une de l'autre les deux zones d'écoulement 9, 10. ~ - 15.- Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par 25 le fait que la cloison 5 est disposée obliquement par rapport à la direction générale de passage à travers la chambre 3. 16.- Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la cloison se prolonge en au moins une paroi limite 6 d'au moins une fente 7 en forme de buse, dirigée vers la seconde 30 zone d'écoulement 10. 17.- Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par au moins un orifice de passage pour le fluide dans la cloison 5. 18.- Dispositif selon la revendication 17, caractérisé par un orifice de passage en forme de fente. 35 19.- Dispositif selon la revendication 17 ou 18, caractérisé par un tube se raccordant à chaque orifice de passage et dirigé vers la surface échangeuse de chaleur 4. 71 40309 10 21138S7 20.- Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que le tube est rabattu à son extrémité dirigée vers la surface échangeuse de chaleur 4. 21.- Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par 5 le fait que la paroi limite 6 de la fente 7 se termine avant d'atteindre la surface échangeuse de chaleur 4 et, de cette manière, laisse libre un orifice de sortie 11 pour l'écoulement du fluide dans la seconde zone d''écoulement 10. 22.- Dispositif selon la revendication 16, caractérisé par 10 le fait que la paroi limite 6 de la fente 7, dirigée de préférence perpendiculairement à la surface échangeuse de chaleur 4, est prolongée et s'étend, par son bord rabattu, parallèlement à la surface échangeuse de chaleur 4. 23.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par 15 le fait que la surface échangeuse de chaleur 4 est bombée. 24.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les parois latérales 8 de la chambre 3 sont raccordées par une jontion conductrice de la chaleur à la surface échangeuse 4. 20 25.- Dispositif selon la revendication 13 ou 24, avec une trajectoire hélicoïdale du fluide dans la seconde zone d'écoulement, caractérisé par des nervures qui s'étendent dans la direction du trajet du courant 2 dans la seconde zone d'écoulement 10 et qui sont raccordées par une jonction conductrice de la chaleur à la 25 surface échangeuse 4 et/ou aux parois latérales 8 de la chambre 3. 26.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par un montage en série dans la direction du courant de plusieurs chambres 3, de sorte que le fluide qui sort d'une chambre pénètre directement dans la chambre suivante. 30 27.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par la disposition de chambres 3 de part et d'autre de la surface échangeuse de chaleur 4.