Brevet FR2110221A1 — publié le 19720602

La présente invention concerne un procédé de chauffage ou de refroidissement de fluide destiné à des dispositifs d'échange de chaleur. De tels dispositifs chauffent ou refroidissent un fluide disposé à un emplacement central, c'est-à-dire dans un appa-5 reillage de chauffage ou de réfrigération, et le transmettent par des canalisations en un point où on utilise la chaleur ou le froid transporté par le fluide pour assurer un échange thermique. Le procédé est"particulièrement avantageux dans le cas des dispositifs dans lesquels il n'est pas souhaitable d'utiliser une 10 pression élevée. Des exemples de telles applications sont les réacteurs de chauffage, les colonnes de distillation, le séchage industriel, et les plateaux et moules chauffés, utilises dans les opérations de moulage de matière plastique. A ces températures élevées, l'utilisation d'eau et de vapeur nécessite l'utilisation 15 d'un dispositif sous pression élevée, étant donné le faible point d'ébullition de l'eau. Il n'est pas pratique d'utiliser de l'eau ou de la vapeur dans ces conditions, pour des raisons de rentabilité, car l'appareillage doit résister aux pressions élevées nécessaires. En conséquence, il est particulièrement avantageux 20 d'utiliser des liquides à point d'ébullition élevé, par exemple des huiles minérales, des mélanges de biphényle et d'oxyde de biphényle, des biphényles chlorés, des silicones, des "silates" et des silanes, des polyglycols ainsi que des esters et des éthers de polyphényle. 25 II est classique de chauffer ces fluides dans des chaudières à tubes ou à serpentins. De telles chaudières comprennent une multitude de tubes ou de serpentins placés dans une enveloppe de transfert thermique. Dans les chaudières classiques à tubes ou à serpentins, le fluide pénètre dans un faisceau de tubes qu'il décrit 30 et qui sont au contact de la source de chaleur ou de la flamme. Le fluide se chauffe en se déplaçant dans le serpentin. Les tubes et les serpentins d'une chaudière de ce type ont tendance à réduire 1'écoulement du fluide, ce qui provoque une surchauffe en certaine points et un mauvais rendement de transfert de chaleur, 35 provoquant un chauffage non unifome. De plus, le rendement est mauvais parce que les chaudières à tubes ne peuvent pas rendre maximal le contact du fluide avec le dispositif de chauffage. 71 35707 2110221 Les chaudières à tubes présentent aussi un problèce d'entretien, car les tubes ont tendance à se détériorer. Il est aussi difficile de nettoyer ces chaudières, car les surfaces sont irrégulières . 5 Selon l'invention, le fluide pénètre dans une enveloppe an nulaire de transfert ne comportant pratiquement pas d'obstacles, en s'écoulant en hélice ou en tournant, du fait de l'angle et de la position d'entrée du courant dans l'enveloppe, ce déplacement hélicoïdal se conservant lorsque le fluide circule dans l'envelop-10 pe. Celle-ci peut être disposée verticalement ou horizontalement, sans que cela influe sur l'écoulement critique nécessaire pour assurer un transfert efficace. On règle le débit et la pression pour provoquer 'la formation du tourbillon et maintenir celui-ci, le fluide ne subissant pas de surchauffe. Ce mouvement hélicoïdal 15 permet au fluide d'avoir un contact uniforme et maximal avec le dispositif de chauffage utilisé. La chaudière de l'invention est du type ne comprenant ni tube, ni serpentin. Son rendement thermique est élevé et permet une circulation plus uniforme du fluide qu'une chaudière à tubes 20 ou serpentins. Le fluide passe dans l'enveloppe annulaire sans tube qui est destinéeja recevoir la chaleur du fluide de chauffage de manière que celui-ci n'influe pas sur l'écoulement continu hélicoïdal du fluide. Dans un mode de réalisation de l'invention, le fluide de 25 chauffage circule à la fois dans la cavité interne de l'enveloppe annulaire et autour de la paroi externe de l'enveloppe. De cette manière, le fluide de chauffage assure un chauffage par contact à deux passages, de l'enveloppe. Ce contact tire un avantage maximal des possibilités de chauffage du fluide utilisé. Le chauffage 30 assuré par le dispositif à deux passages du fluide tourbillonnant assure un transfert qui est efficace et uniforme du fluide de chauffage au fluide de transfert. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence 35 aux dessins annexés sur lesauels : et 1A sont les figures 1/ un schéma de la chaudière associée aux divers composants externes qui constituent un dispositif pratique ; 71 35707 2110221 la figure 2 est une perspective partielle montrant la circulation dans la chaudière ; la figure 2A est une coupe transversale du dispositif de la figure 2 ; 5 la figure 3 est une coupe transversale de la chaudière et elle montre la disposition de celle-ci et en particulier l'entrée tangentielle du fluide de transfert ; la figure 4 est une élévation d'un autre mode de réalisation de l'invention ; 10 la figure 4A est une vue de dessus du mode de réalisation de la figure 4 ; la figure 5 est une perspective partielle d'un autre mode de réalisation de l'invention ; et la figure 6 est une vue de dessus du dispositif de la figure 15 5. Dans le dispositif de la figure 1, on fait circuler dans l'enveloppe 11, à l'aide d'une pompe 10, un fluide de transfert, notamment un liquide autre que de l'eau, par exemple une huile minérale, un mélange de biphényle et d'oxyde de biphényle, un biphé-20 nyle chloré, une silicone, un "silate", un silane, un polyglycol ou un éther ou ester de polyphényle. l'enveloppe est en matière conductrice de la chaleur et elle comprend une enceinte annulaire interne 12 concentrique à une enceinte annulaire externe 13. Celle-ci a un diamètre supérieur à celui de l'enceinte 12 et délimite un 25 espace dans lequel doit circuler le fluide de transfert. Celui-ci, lorsqu'il est froid, pénètre dans l'enveloppe par une entrée 14 placée au fond. La pression fournie par la pompe 10 chasse le fluide qui remonte dans l'enveloppe jusqu'à une sortie 15,à la partie supérieure de celle-ci. Le fluide est chauffé à la température 30 voulue lors de son passage dans l'enveloppe. L'enveloppe 11 se loge dans un ensemble 16 de chauffage. Celui-ci comprend une chemise externe en acier 17 et une chemise interne 18,elle aussi en acier, une couche isolante 19 étant placée entre elles. Il reste un espace entre la chemise 18 et l'en-35 ceinte 13 de l'enveloppe 11. Celle-ci est fixée à la base de l'ensemble de chauffage par des équerres 20 (une seule est représentée). La chaleur transférée au fluide qui circule provient de gas chauds 71 35707 4 2110221 obtenus par une combustion qui a lieu à la partie supérieure de l'ensemble 16. L'air pénètre par des entrées 21 dans un ventilateur 22 et se mélange a un combustible gazeux dans le brûleur 23. Le mélange 5 descend dans le tube de soufflage 24 et le déflecteur 25 en entonnoir. Après celui-ci, le mélange est enflammé et il brûle dans l'enceinte 12. Le brûleur 23 de la figure 1 est disposé à la partie supérieure de l'ensemble 16 j dans une variante, on peut disposer le brûleur au fond ou à mi-hauteur dans l'ensemble. 10 Lorsque le mélange chaud descend à l'intérieur de l'enceinte 12, il transmet une partie de sa chaleur à l'enceinte. Les gaz chauds sont chassés sous l'enveloppe 11. Comme le 'montrent la figure 1 et la figure 3, les gaz chauds, après leur passage sous l'enveloppe, remontent dans un second pas- Ce 15 sage destiné aux gaz brûlés. / second passage comprend un orifice annulaire délimité par l'enceinte 13 et la chemise 18. Des ailettes 26 verticales et régulièrement réparties sont associées à la partie externe de l'enceinte 13.Ces ailettes 26 absorbent efficacement g la chaleur des gaz remontant dans le passage. Ceux-ci donnent/chaleur 20 qu'il leur reste à l'enceinte conductrice 13. En conséquence, les deux côtés de l'enveloppe sont chauffés. Les gaz chauds ou produits de combustion quittent le dispositif par un orifice de sortie 27 destiné/aux gaz d'échappement. Lorsque le fluide chaud atteint le haut de l'enveloppe, il est chassé dans le système externe de chauf-25 fage par une sortie 15. Le fluide chaud d'échange passe dans le dispositif externe et revient par l'intermédiaire de la pompe et de l'entrée 14, après avoir assuré le chauffage. Sur le trajet de retour du fluide, l'appareil comprend un manomètre et un dispositif de régulation 30 de pression 28. (voir figure 1A). Selon l'invention et comme le montrent les figures 2 et 2A, l'écoulement du fluide de transfert dans la chaudière améliore le rendement et l'uniformité de l'échange. On pompe le fluide d'échange à chauffer dans l'enveloppe annulaire 11, en le faisant pénétrer 35 par l'entrée 14 qui est tangentielle à l'espace laissé à l'écoulement du fluide et délimité par l'enveloppe 11, en faisant un angle de 90° avec l'axe vertical de l'enveloppe. Du fait de cette 71 35707 5 2110221 entrée tangentielle, le fluide circule dans l'enveloppe en formant un tourbillon ou en tournant. La totalité du volume de fluide tourne autour de l'enveloppe et se mélange. Le fluide tourne donc entre les enceintes 12 et 13 en formant une hélice. Pour assurer le 5 chauffage du fluide, le brûleur donne un mouvement circulaire ou de tourbillon aux gaz de chauffage descendant dans l'enceinte 12. Ce déplacement circulaire du gaz ainsi que la tendance naturelle des gaz chauds Relever provoquent un ralentissement de la descente de la flamme, assurant un chauffage efficace de l'enceinte 12. 10 Lorsque les gaz chauds atteignent la partie inférieure de l'enveloppe, ils tournent pour fair^ùn second passage à l'extérieur de l'enceinte externe de l'enveloppe, de manière à transmettre plus de chaleur à l'enceinte externe et,en conséquence,au fluide d'échange. Les circulations représentées sur les figures 2 et 2A 15 assurent un transfert maximal, étant donné la régularité de l'écoulement du fluide d'échange dans le passage annulaire et la longueur du trajet dans l'enceinte,assurées par la rotation. Cet écoulement idéal subit la chaleur du double passage, et tire un avantage maximal des possibilités de chauffage par le gaz. 20 La disposition de l'enveloppe est idéale pour le chauffage de fluide, grâce à la répartition uniforme de la chaleur dans les deux passages à la restriction minimale de la circulation du fluide. Celle-ci provient d'une faible perte de charge. On peut réaliser l'enveloppe annulaire en lui donnant les dimensions sui--25 vantes, suivant le chauffage prévu : longueur comprise entre 60 cm et 2,50mètres, diamètre extérieur compris entre 30 cm et 1,25 mètre, distance entre les parois de l'enceinte, 2,5 à 25 cm et diamètre de l'entrée 3,8 à 8 cm. On peut régler la vitesse du fluide dans l'enveloppe et elle 30 dépend de la distance entre ces parois. De plus, cette vitesse doit être supérieure à une valeur minimale pour que le fluide n'ait pas tendance à brûler ou à se dégrader. La chaudière fonctionne avec une vitesse minimale de 30 cm par seconde et on peut régler cette valeur jusqu'à une valeur maximale de 3 à 4,5 mètres par se-35 conde. Ces valeurs permettent un fonctionnement de la chaudière pour des applications très diverses. 71 35707 6 2110221 l'ensemble représenté -sur les figures 4 et 4A comprend plusieurs entrées et plusieurs sorties. On a représenté cinq, entrées 30, 31» 32, 33» 34 fournissant toutes du fluide tangentiellement, de manière qu'il forme une hélice. Comme le montrent les figures 5 4 et 4A, on peut disposer ces entrées ailleurs qu'au fond de l'enveloppe. Il existe deux sorties 35 et 36 qui font circuler-le fluide chaud dans l'ensemble. " " La figure 5 représente un autre mode de réalisation dë l'invention. Dans ce dispositif, des fluides du type décrit préeédem-10 ment sont pompés dans une enveloppe 40. Celle-ci comprend une enceinte annulaire interne 41 concentrique à une enceinte aniiulaire . externe 42, délimitant entre elles un espace destiné à la circulation du fluide. Du fluide froid pénètre dans l'enveloppe par une entrée 43 au fond de l'enveloppe 40. Le fluide doit remonter dans 15 l'enveloppe sous la pression créée par une pompe de circulation (non représentée). La température du fluide s'élève à la valeur voulue lors du passage dans l'enveloppe. Celle-ci est logée "Sans un ensemble de chauffage et le fluide circule à 1 ' extérieu^jirati-quement comme décrit à propos du précédent mode de réalisation. Le 20 fluide reçoit la chaleur de fins éléments 44 de chauffage par résistance placés verticalement dans l'enveloppe. Ces éléments à résistance forment des groupes de cinq,, chaque groupe 45 constitue une zone de chauffage par résistance. M-aggpa-reil comprend quatre jeux d'éléments régulièrement répartit if 90° 25 les uns des autres. Chacun des jeux crée une zone de température élevée dans l'enveloppe 40. 7 Comme dans le précédent mode de réalisation, le fluide à chauffer circule dans l'enveloppe 40 dans laquelle il pénèfe?e- par une entrée 43» tangentiellement, dans un espace délimité par 1ren-50 veloppe 40, perpendiculairement à l'axe vertical de celle-ci. L'entrée tangentielle provoque la circulation du fluide dans l'enveloppe en formant un tourbillon, et la totalité du fluide tourne et se mélange autour de l'enveloppe. Lorsque le fluide tourne dans l'enveloppe annulaire, il passe dans les zones à température élevée 35 formées par les jeux 45. La chaleur passe dans le liquide lorsqu'il tourbillonne dans l'espace prévu pour sa circulation et dans les zones chauffées. 71 35707 7 2110221 Des éléments 44 comprennent de fins organes qui laissent le passage pratiquement libre pour le fluide. De cette manière, l'écoulement tourbillonnaire du fluide n'est pratiquement pas affecté. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. 71 35707 8 2110221 REVKHDICATIOHS 1. Procédé d'échange thermique mettant en oeuvre un liquide circulant dans une chambre annulaire allongée ne comportant pratiquement pas d'obstacles et entourant un axe central, caractérisé 5 en ce qu'on assure une circulation globale du liquide qui tourbillonne de façon continue autour de l'axe central en suivant un trajet de largeur prédéterminée, l'écoulement ayant des composantes axiales et de rotation assurant le remplissage et le balayage de la totalité de la chambre par introduction,au voisinage d'une extrémité de 10 celle-ci,d'un courant du liquide en direction tangentielle à la périphérie de la chambre, on fait passer de la chaleur dans le liquide qui balaye la chambre, et on retire le liquide à l'extrémité opposée"à celle d'introduction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 le liquide tourbillonne de manière continue autour de l'axe central dans un espace de 2,5 ou 25 cm de large. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écoulement global s'effectue en direction verticale et on introduit le liquide d'échange au voisinage de l'extrémité inférieure 20 de la chambre, en le retirant au voisinage de l'extrémité supérieure. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on retire le liquide à tme température qui dépasse 121°C. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un fluide de chauffage fait passer la chaleur dans le fluide de trans- 25 fert et circule à l'intérieur et à 1'extérieur dudit trajet d'écoulement du fluide de transfert. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le fluide de chauffage circule à l'intérieur du trajet d'écoulement du fluide de transfert en direction opposée à celle de la direction 30 d'écoulement axiale du liquide de transfert, puis continue à circuler en revenant à l'extérieur dudit trajet d'écoulement. 7. Procédé selon la revendication 3» caractérisé en ce que la chaleur passe dans le fluide de transfert depuis un fluide de chauffage introduit à l'intérieur dudit trajet d'écoulement, à son 35 extrémité supérieure, descendant à l'intérieur dudit trajet, passant sous celui-ci puis remontant à l'extérieur dudit trajet avant de sortir à la hauteur de l'extrémité supérieure de celui-ci. 71 35707 9 2110221 8. Procédé selon la revendication 1f caractérisé en ce que la chaleur passe directement de l'intérieur du trajet d'écoulement au liquide de transfert. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on 5 maintient une zone à température élevée dans ledit trajet d'écoulement et on chauffe le liquide de transfert qui balaye ladite chambre annulaire. 10. Procédé selon la revendication 9» caractérisé en ce qu'on maintient ladite zone à température élevée par chauffage 10 électrique.