Brevet FR2234532A1 — publié le 19750117

La présente invention concerne les échangeurs thermiques destinés à élever la température des fluides qui les traversent et plus particulièrement les échangeurs thermiques à action rapide. Dans les échangeurs thermiques les plus connus, le fluide circule par exemple dans un faisceau de tubes en métal bon conducteur de la chaleur dont les parois extérieures sont au contact avec une source calorifique qui peut être constituée par des résistances électriques, un flux gazeux à température élevée ou un liquide caloporteur. D'autres échangeurs thermiques comportent d'une part une ou plusieurs enveloppes extérieures étanches munies d'orifices permettant l'entrée et la sortie du fluide à réchauffer, et d'autre part une source calorifique étanche pénétrant à l'intérieur de ladite enveloppe, ces sources calorifiques pouvant être identiques aux sources précédemment citées. C dispositifs ne-permettent pas d'échauffer très rapidement et à un moment précis lue fluide en transfert car d'une part, la puissance de la source calorifique n'est généralement pas suffisante pour assurer la délivrance des calories nécessaires à l'échauffement et d'autre part les sources de chaleur utilisées ne se prêtent pas à une mise en action très rapide pour des raisons d'inertie thermique. L'échangeur thermique selon l'invention, qui est constitué par une unité d'échange thermique ou par la réunion de plusieurs de ces unités, permet d'élever fortement la température des fluides qui 1- traverse rapidement. Cette élévation de température est obtenue par l'utilisation d'au moins un générateur pyrotechnique tubulaire contenant un chargement de poudre dont la combustion-ne fournit que des produits de réaction solide, ce qui permet de libérer une très grande puissance thermique à partir d'une masse et d'un volume restreint qui peut entre mis en action en un temps extrèmement court, ce volume restreint permettant en outre de réaliser un échangeur de faibles dimensions et donc d'inertie thermique très réduite, bien que comportant sa propre source d'énergie calorifique qui peut être mise à feu dès que l'échangeur thermique doit entrer en action. Selon une première variante de l'invention, l'échangeur thermique n'est eomposé que d'éléments linéaires et le chargement de poudre est placé dans un tube de faible diamètre, ce générateur pyrotechnique étant lui-même disposé dans une enveloppe cylindrique de plus grand diamètre, le fluide à rechauffer ev:pruntant le passage libre de section annulaire, et l'enveloppe cylindrique ainsi équipée étant utilisée comme une simple canalisation pour amener le fluide d'un point à un autre en offrant la possibilité de réchauffage rapide à un instant donné. Selon une seconde variante de 11 invention l'enveloppe extérieure de chaque unité d'échange thermique est cylindrique et comporte au moins un générateur pyrotechnique deachaleur enroulé de maniere à créer une composante rotative au. fluide en transfert, ce qui permet une meilleure. répartition de la chaleur au sein du fluide en évitant les points chauds notamment lorsque celui-ci présente une faible conductibilité thermique et que le temps de transfert est très réduit. Selon un premier mode de réalisation de cette seconde variante l'enveloppe cylindrique extérieure présente un faible diamètre par rapport à la longueur et chaque générateur pyrotechnique de chaleur est enroulé en hélice les orifices d'entrée et de sortie du fluide à réchauffer sont situés aux extrémités de ltenveloppe cylindrique. Selon un second mode préférentiel de réalisation de cette seconde varian te,l'enveloppe cylindrique présente- une-fatble épaisseur par rapport au diamètre, et chaque générateur pyrotechnique de chaleur est enroulé en spirale et est en contact avec les deux bases de l'enveloppe cylindrique, les. orifices d'entrée et de sortie du fluide à réchauffer étant situés à la périphérie et au centre de cette enveloppe. Plus particulièrement le ou les orifices périphériques sont situés sur l'une des bases de l'enveloppe cylindrique et le ou les orifice centraux sont managés sur la base opposée, et chaque générateur pyrotechnique de chaleur pénètre dans cette enveloppe cylindrique par la surface latérale. Selon une caractéristique de l'invention, chaque générateur pyrotechnique de chaleur est constitué par une embase à traversée étanche comprenant un dispositif de mise à feu, cette embase étant prolongée par un tube métallique contenant le chargement de poudre-qui est préférentiellement réalisé'par tas sement dans ce tube d'une composition pyrotechnique comportant au moins un métal réducteur et au moins un oxyde métallique, et plus-particulièrement le monoxyde de cuivre et le zirconium.Selon une variante de cette caractéristisque, lorsque l'unité d'échange- thermique doit présenter des puissances différentes, la source calorifique comporte,soit, au moins deux générateurs pyrotechniques tubulaires parallèles les uns aux autres, soit au moins un générateur pyrotechnique tubulaire qui comporte un chargement de poudre constitué par deux charges élémentaires possèdent chacune un dispositf de mise à feu, ces charges occupant toute la section du tube métallique et étant séparées par une bourre étanche réalisée en un matériau thermiquement isolant. L'éner- gie calorifique libérée par l'échangeur thermique péut ainsi être choisie en initiant le nombre de générateurs pyrotechniques ou le nombres de charges élémentaires nécessaires. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur thermique est constitué par la réunion en batterie d'unités d'échange thermique dont la source calorifique est constituée de générateurs pyrotechniques tubulaires contenant un chargement de poudre dont la combustion ne fournit que des produits de réaction solides, et notamment par la réunion d'unités d'echange=ther moque cylindrique de faible épaisseur comportant au moins un générateur pyrothecnique de chaleur enroulé en spirale.Plus particulièrement, lorsque ces types d'unités d'échange thermique sont utilisés, les enveloppes extérieures cylindriques et étanches sont maintenues par-deux brides d'extrémité reliées par des tirants de fixation, chaque orifice de ces-enveloppes étant équipé d'un joint prenant appui sur la base de chaque enveloppe extérieure. Préfé- rentiellement la réunion d'unités d'échange thermique en série s'effectue avec un nombre pair d'enveloppes extérieures cylindriques, les orifices d'en entrée et de sortie de ltechangeur thermique etant situés dans l'axe de cet échangeur L'invention est plus particulièrement décrite dans ce qui suit en se référant au dessin pour lequel - la figure I est en vue de dessus en coupe d'une unité d'échange thermique à générateur pyrotechnique de chaleur selon la présente invention. - la figure 2 est une vue en coupe diamètrale de l'unité d'échange thermique représentée à la figure I. - la figure 3 est une- vue partielle en coupe d'une variante de construction de l'unité d'échange thermique représentée aux figures I et 2. - la figure 4 est une vue en coupe diamètrale d'un échangeur thermique,selon la presente invention, réalise par la réunion de deux unités dtéchange thermiques à générateurs pyrotechniques de chaleur. - la figure-5 est une vue de dessus en coupe de l'échangeur thermique repré senté à la figure 4. décrit Un premier exemple de réalisation peut êtr--Yà partir d'une unité d'echan- ge thermique linéaire dans laquelle le générateur pyrotechnique de chaleur est composé dans sa partie active par un tube en acier inoxydable de diamètre intérieur 5 mm et de diamètre extérieur égal à 7 mm. Le chargement dc poudre utilisé comme source calorifique est obtenu par tassement jusqu'à une densité voisine de 2,5 g/cm3 d'une composition dite sans gaz réalisée par le mélange de 63 % en poids de monoxyde de cuivre de granulomètrie 160 microns avec 377 de zirconium de granulométrie 5 microns.Une telle composition libère lors de la réaction d'o.xydoréduction 720 cajoriesîgramme et le générateur de chaleur dégage sensiblement 265 calories par centimètres de longueur, le délai d'inflammation étant de l'ordre de 6ms, Le tube contenant le chargement de poudre est vissé dans une embase métallique à traversée étanche dont le dispositif de mise à feu est constitué par un fil résistant en nickel-chrome de 0,25 # qui pénètre dans la composition pyrotechnique et qui est solidaire d'un bouchon de résine destiné à supprimer toute inclusion d'air et toute variation de tassement de la composition.Ce générateur ainsi constitué est placé dans un tube de diamètre intérieur de 10 mm qui est fileté à ehacune de ses extrémités pour recevoir l'alimentation en fluide et permettre le raccordement au dispositif utilisateur du fluide réchauffé. Parmiles essais effectués, les résultats obtenus en utilisant l'eau comme fluide,permettent de bien mettre en évidence les caractéristiques de l'échangeur selon la présente invention et le temps de transfert ainsi que le volume d'eau à ré-, chauffer sont implicitement exprimés par le nombre de Reynolds de l'écoulement pour une géométrie déterminée. Il a été constaté que la température à la sortie de l'échangeur thermique passe par un maximum au cours du transfert de l'eau avant de se stabiliser à la valeur finale.Les données initiales et les résultats obtenus sont les suivants - 4I5 cm3 d'eau portée de 25 8 35c C en un-temps de 0,8I5 seconde avec un chargement pyrotechnique de I5,I grammes. - le délai de montée en pression est de 6 ms et le palier de pression atteint est de 34 bars, la vitesse de liteau étant de l'ordre de 8,9 m/s.-Le coeffi cient de viscosité cinématique est de 0,80. I0-6 m2s et le nombre de Rey nolds de l'écoulement est de I78 000. - la quantité de chaleur disponible est de 10 900 calories et la chaleur ef fectivement, échangée est de 10 000 calories conférant un rendement thermi que global de 0,917 à l'ûnité d'échange thermique selon la-présente inven tion. Un second' exemple de réalisation d'une unité d'échange thermique peut être décrit en se référant aux figures I et 2. Selon'cette variante de réalibation, le générateur pyrotechnique (I) qui est utilisé est enroulé dans un plan pour former une spirale à pas constant. I1 est à noter que la très fai- ble sensibilité du chargement pyrotechnique (2), et notamment de la composi- tion dite sans gaz contenant du monoxyde de cuivre et du zirconium, permet d'effectuer cette mise en forme lorsque le générateur est chargé. t'envelop- pe extérieure étanche est réalisée par l'assemblage d'une semelle (3) portant la sortie centrale (4) du fluide en transfert, et d'un carter (5) portant une tubulure d'entrée (6).Les essais effectués sur unie telle unité d'échange thermique-avec un générateur pyrotechnique de même type et de mêmes caracté distiques que celui utilisé dans le premier exemple décrit ci-dessus ont permis d'obtenir les résultats suivants : - 350 cm3 d'eau portée de-24 à 36OC en un temps de 0,59 seconde avec un char gement pyrotechnique de I5 g. - le délai de montée en pression est de 6,2 ms et le palier de pression at teint est e 38 bats, la vitesse de l'eau étant de l'ordre de 9,2m/s. La coefficient de viscosité cinématique est de 0,79 I0 6m et le nombre de Reynolds de l'écoulement est de I86 000. s - la quantité de chaleur disponible est de 10 800 calories et la chaleur effectivement échangée est de 9 000 calories conférant un rendement ther mique global de 0,835 à cette unité d'échange thermique. Ce rendement peut être amélioré en utilisant comme dans le premier exemple un mode de fonctionnement de l'échangeur propre à l'invention qui consiste à mettre à feu la composition exothermique et à alimenter l'échangeur par le fluide sous pression de manière à ce que la durée pendant laquelle s'effectue la dissipation thermique dans l'élément chauffant soit identique à celle de l'écoulement, l'avantage de ce mode de fonctionnement est de pou voir communiquer au fluide une très grande quantité de chaleur tout en évitant un échauffement exagéré de l'élément chauffant, les calories produites étant absorbées par le fluide au fur et à mesure de leur production. La figure 3 représente une coupe partielle d'une variante du second exemple' de réalisation dans laquelle les surfaces intérieures de la semelle (3) et du carter (5) sont recouvertes d'un matériau isolant déformable (7) de manière,d'une part à assurer une étanchéité totale entre les différentes spires du canal d'écoulement du fluide à réchaufferet d'autre part à limiter au maximum les déperditions d'énergie thermique. Une seconde variante peut être également réalisée notamment lorsque cette unité d'échange thermique est utilisée comme élément d'un échangeur thermique à plusieurs unités. Les orifices d'entrée et de sortie sont alors disposés à la périphérie et au centre,ils communiquent avec les cavités dans lesquelles débouchent le ou les canaux d'écoulement. Cette disposition présente l'avantage de pouvoir mettre en série les échangeurs en les empilant les uns sur les autres de manière à ce que les orifices correspondent entre eux, la batterie ainsi consituée permettant de réaliser des ensembles d'énergie multiple de l'échangeur de base. Un exemple d'échangeur thermique constitué par une batterie de deux unités d'échange thermique mises en série est représenté aux figures 4 et 5. L'ensemble, vu en coupe sur la figure 4, comprend les enveloppes II et I2 serrées entre deux brides I3 et 14 par les tirants I5, les brides comportent les ajutages d'entrée 8 et de sortie 9 du fluide, et sont en communication avec les orifices situés au centre des enveloppes, les joints I6 et I7 réalisent l'étanchéité entre brides et enveloppes et le joint I8 celle entre les enveloppes au niveau des orifices périphériques 10. Les éléments chauffants sont constitués par les tubes I9,20,2I et 22 qui renferment la composition pyrotechnique exothermique. La figure 5 représente une coupe partielle transversale d'un échangeur, elle montre les éléments chauffants enroulés en spirale dans le carter, dans l'exemple chaque élément chauffant est mis à feu par un inflammateur électrique, contenu dans les embases 23 et 24 pour les éléments de la figure 5. Le fluide, au moment du fonctionnement de l'échangeur circule dans les canaux déterminés par l'en- veloppe et les tubes des éléments chauffants. En convenant d'un sens d'écoulement de haut en bas, le fluide circule du centre à la périphérie dans les canaux en spirale dans l'enveloppe II, et inverservement dans l'autre enveloppe.On voit que conformément à l'inventíon, dans l'exemple, la présence de 2 éléments chauffants dans chaque unité d'échange thermique et la mise en série de 2 unités d'échange thermique permet à l'ensemble de réaliser 4 énergies différentes. Un tel échangeur thermique présente de très haut puissance spécifiques et volumiques qui le rendent particulièrement adapté à tous les problèmes de réchauffage dans les appareils ou les encombrements et les masses doivent être aussi réduits que possible. Les valeurs moyennes sont de 0,5. IO-3cm3 par joule restitué et de 0,20 I0 g par joule restifué5et la puissance massique est de 500 watts par gramme. Le réchauffage de produits peut être assuré par ltéchangeur selon la présente invention sans risque de contamination du fluides ni du milieu environnant par le fonctionnement pyrotechnique, le générateur de chaleur étant un ensemble -étanche. Des exemples d'applications industrielles peuvent être données dans les domaines du réchauffage des produits corrosifs ou des combustibles, du réchauffage de ltélettrolyte d'une pile amorçable au moment de son activation et du démarrage des moteurs thermiques par très grand froid par réchauffage de l'air comburant. RE=VE=ND~GA=T~ON~ I - Unité d'échange thermique destinée à élever la température des fluides et comportant d'une part, une enveloppe extérieure étanche munie d'orifices permettant ltentrée et la sortie du fluide à réchauffer, et d'autre part une source calorifique étanche pénétrant à l'intérieur de ladite enveloppe, carac térisée en ce que la source calorifique est constituée par au moins un géné rateur pyrotechnique tubulaire étanche contenant un chargement de poudre dont la combustion ne fournit que des produits de réaction solides. 2 - Unité d'échange thermique selon la revendication I caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure est cylindrique, chaque générateur pyrotechnique de chaleur étant enroulé de manière à créer une composante rotative au fluide en transfert. 3 - Unité d'échange thermique selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'enveloppe cylindrique présente un faible.diamètre par rapport à la longuotir, chaque générateur pyrotechnique de chaleur étant enroulé en hélice et les orifices d'entrée et de sortie en fluide à réchauffer étant situés aux extré mités de l'enveloppe cylindrique. 4 - Unité d'échange thermique selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'enveloppe cylindrique présente une faible hauteur par rapport au diamètre, chaque-générateur pytotechnique de chaleur étant enroulé en spirale et étant en contact avec les deux bases de l'enveloppe cylindrique, les orifices d'entrée et de sortie du fluide à réchauffer étant situés à la périphérie et au centre de ladite enveloppe cylindrique. 5 - Unité d'échange thermique selon la revendication 4-, caractérisée en ce que l'orifice périphérique est situé sur l'une des bases- de I'enveloppe cylin drique, orifice central étant ménagé sur la base opposée et chaque géné rateur pyrotechnique de chaleur pénétrant dans cette enveloppe cylindrique par la surface latérale. 6 - Unité d'échange thermique selon la revendication I, caractérisée an ce que chaque générateur pyrotechnique de chaleur est constitué par une embase à traversée étanche comprenant un dispositif de mise à feu, ladite embase étant. prolongée par un tube métallique contenant le chargement de poudre. 7 Unité d'échange thermique selon-la revendication 6, caractérisée en ce que le chargement de poudre est réalisé par tassement dans le tube métallique d'une compositionpyrotechnique comportant au moins un métal réducteur et au moins un oxyde métallique. 8 - Unité d'échange thermique selonla revendication 7, caractérisée en ce que la composition pyrotechnique comporte notamment du monoxyde de cuivre et du zirconium. 9 - Unité d'échange thermique selon la revendication 8,caractérisée en ne que la composition pyrotechnique est constituée de 63 % de monoxyde de cuivre et de 37 % de zirconium. 10 - Unité d'échange thermique selon la-revendication 1, caractérisée en ce que la source calorifique ent constituée par au moins deux générateurs pyro- technique tubulaires parallèles les uns aux autres. II - Unité d'échange thermique selon la revendication 6, caractérisée en que chaque générateur pyrotechnique comporte un chargement de poudre cons; tué par deux charges élémentaires possèdant chacune un dispositif de mise à feu. 12 - Echangeur thermique destiné à élever la température des fluides et com- portant d'une part un ensemble d'enveloppes extérieures étanches ruai d7vri- fices permettant entrée et la sortie du fluide à réchauffer, et d'autres part une source calorifique étanche pénétrant à l'intérieur dudit ensemble d'enveloppes, caractérisé en ce que la source calorifique est constituée par au moins un générateur pyrotechnique tubulaire contenant un chargement de poudre dont la c iibustion ne fournit que des produits de réaction solides I3 - Echangeur thermique selon la revendication I2 caractérisé -en ce que chaque enveloppe extérieure est cylindrique et présente une faible épaisseur par rapport au diamètre, chaque générateur pyrotechnique de chaleur étant enroulé en spirale et étant en contact avec les deux bases de l'enveloppe cylindrique, les orifices d'entréeet de sortie du fluide à réchauffer étant situés à la périphérie et au centre de chacune des dites enveloppes extérieu- res, chaque enveloppe extérieure cylindrique comportant un orifice périphe- rique sur l'une des bases et un orifice central sur la base opposée, et chaque générateur de'chaleur pénétrant dans ladite enveloppe extérieure par la surface latérale. - - Echangeur thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que les orifices sont équipés d'un joint prenant appui sur la base de. chaque enveloppe extérieure. I5 - Echangeur thermique selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'ensemble des enveloppes extérieures cylindriques et étanches est maintenu par deux brides d'extrémité reliées par des tirants de fixation. I6 - Echangeur thermique selon la revendication I5, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair d'enveloppes extérieures cylindriques, les orifices d'entrée et de sortie dudit échangeur étant situés dans l'axe de I1 échangeur.