Brevet FR2241052A1 — publié le 19750314

Cette invention concerne d'une manière générale, les dispositifs d'échange de chaleur et se rapporte plus particulièrement à un conduit de chaleur. Un certain nombre de dispositifs ont déjà été proposés qui utilisent un système clos contenant un liquide de travail ayant à la fois une phase liquide et une phase vapeur aux températures normales de fonctionnement. La phase liquide exposée aux températures plus élevées se vaporise tandis que la phase vapeur exposée aux températures plus basse se condense. Jusqu'à ces derniers temps, les dispositifs de ce type n'ont été capables de transférer la chaleur que dans un sens en utilisant la pesanteur pour ramener le liquide à I'extrémité chaude du système ou ont nécessité ltutilisation de mèches capillaires pour transporter le liquide dans tous les sens. Etant donné que les mèches sont difficiles et onéreuses à monter convenablement, ce type de dispositif nta trouvé que très peu d'applications - commerciales. Un autre chercheur dans ce domaine a récemment découvert que l'énergie thermique pouvait être-efficacement récupérée de l'air qui est évacué d'une enceinte et transférée à l'air frais qui est introduit dans l'enceinte d'un bout à l'autre de l'année, en utilisant une pluralité de conduits de chaleurs bidirectionnels. Par exemple, en été, 1'air chaud qui entre dans 1 t enceinte peut être froidi par l'air frais qui en sort et en hiver l'air froid qui entre dans l'enceinte peut être réchauffé par l'air chaud qui en sort. Dans ce système, un grand nombre de conduits de chaleur relativement longs et de petit diamètre sont munis d'ailettes pour réaliser un échange de chaleur entre les deux courants d'air.A l'origines des mèches capillaires ont été prévues pour transporter la phase liquide dans le sens longitudinal des tubes afin de réaliser la réversibilité et de telles mèches ont été disposées autour de la totalité de la circonférence du tube pour accroitre le rendement. On a découvert ultérieurement que l'action d'un conduit de chaleur réversible pouvait être obtenue sans les mèches capillaires onéreuses, en positionnant les tubes allongés horizontalement et en permettant à la phase liquide d'être présente sur toute la longueur des tubes de sorte que le liQuide revient d'une quelconque des extremités à l'autre sous l'effet de la pesanteur.Bien que la suppression des mèches capillaires ait effectivement entraulé une diminution du rendement de chaque conduit de chaleur, cette diminution~a pu être partiellement compensée en accroissant le nombre des conduits de chaleur par dis positif. Le dispositif à conduits de chaleur supplémentaires dotait économiquement compétitif avec le dispositif comportant un plus petit nombre de conduits de chaleur munis de mèches capillaires, mais il présentait l'inconvénient d'un rendement plus faible et d'un poids et de dimensions accrus. L'invention se rapporte à un conduit de chaleur perfectionné particulièrement approprié pour être utilisé dans les dispositifs du type décrit ci-dessus. Le conduit de chaleur perfectionné utilise des rainures capillaires s'étendant circonférentiellement, formées dans la paroi du conduit, qui transportent le liquide verticalement pour accroître la surface de l'interface liquide-vapeur et qui forment également un trajet thermique à faible impédance, entre les parois du conduit de chaleur, et l'interface liquide-vapeur ou l'é- vaporation et la condensation se produisent effectivement, par l'intermédiaire des plages de métal. Conformément à un autre aspect de l'invention, les rainures capillaires ont une section transversale caractérisée par une ouverture étranglée pour permettre la création d'une force de pompage capillaire maximale avec une résistance minimale à ltécoulement du liquide jusqu'au point d'évaporation et peuvent etre fabriquées par un procédé de taillage en spirale continu suivant lequel la matière de la paroi intérieure du conduit de chaleur est taillée et pliée vers la matière précédemment taillée et pliée. Conformément à encore un autre aspect de 1 t invention, une plaque s'étendant longitudinalement et disposée horizontalement est positionnée dans le conduit de chaleur pour réduire au minimum l'in- teraction entre les phases liquide et vapeur. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation donnés àgtitre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique représentant un dispositif utilisé pour récupérer l'énergie thermique de l'air d'évacuation, qui utilise une pluralité de conduits de chaleur construits conformément à la présente invention - la Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale, avec arrachement dans la partie centrale, d'un conduit de chaleur unique construit conformément à la présente invention - la Fig. 3 est une vue isométrique montrant des détails de la construction du conduit de chaleur représenté sur la Fig. 2 - la Fig. 4 est une vue en coupe approximativement suivant la ligne 4-4 de la Fig. 2 ;; - la Fig. 5 est une vue partielle en coupe, à plus grande échelle, représentant une forme de section préférentielle des rainures capillaires du conduit de chaleur de la Fig. 2. On se référera maintenant aux dessins et en particulier à la Fig. 1 sur laquelle un dispositif pour récupérer l'énergie thermique conformément à la présente invention a été désigné dans son ensemble par la référence tO. Le dispositif TO comporte un grand nombre de conduits de chaleur bidirectionnels 20 dont chacun est construit conformément à la présente invention, comme représenté sur la Fig. 2. Les conduits de chaleur 20 du dispositif 10 sont disposés horizontalement à des fins qui seront décrites ultérieurement et stéten- dent à la fois dans un passage d'entrée d'air 12 et dans un passage de sortie d'air 14 prévus dans un immeuble ou autre enceinte 16 dans lequel l'air doit étre soit chauffé soit refroidi par le climatiseur 15 selon la saison, pour maintenir une température prédéterminée dnns ltensemble ou l'enceinte. Les passages 12 et 14 peuvent & re disposés horizontalement, verticalement ou suivant tout autre angle désiré. Un dispositif 10 typique peut comporter de soixante à cent conduits de chaleur 20 dont un est représenté en détail sur la Fig. 2. Le conduit de chaleur 20 peut avoir typiquement une longueur comprise entre 1,80 m et 2,50 m et un diamètre compris entre 1,27 et 1,90 centimètre. Le conduit de chaleur est typiquement fabriqué à partir du tube de cuivre 22 du fait des caractéristiques excellentes de conductivité thermique et de résistance à la corrosion du cuivre. Une pluralité d'ailettes d'échangeur de chaleur classiques 24 sont montées sur le tube 22 d'une manière telle qu'un bon échange de chaleur entre les ailettes et le tube soit obtenu. Les extrémités du tube sont obturées par des capuchons 25 et 26. L'intérieur du tube 22 est tout dtahord mis sous vide au moyen d'un raccord 28 prévu dans le capuchon 26 puis rempli à approximativement au tiers de sa contenance avec un fluide de travail approprié tel que le réfrig4- rant "R12" qui est représenté par le niveau de liquide 30. Ensuite, le raccord 28 est obturé de façon permanente par exemple par sertissage et soudage. La paroi intérieure d'un tube 22 est munie d'un grand nombre de rainures capillaires s'étendant circonférentiellement et étroitement rapprochées 32, de préférence sur la totalité de sa longueur0 Lorsque le liquide de travail est le réfrigérant R12, les rainures capillaires 32 ont des profondeurs de crêtes à creux de l'ordre de ou356 mm et un espacement de ltordre de 0,178 mm. Comme on l'expli- quera ultérieurement, des rainures capillaires peuvent etre formées par une rainure en spirale continue pour faciliter la fabrication ou peuvent être constituées par des rainures annulaires séparées. Les rainures capillaires ont, de préférence, une section transversale caractérisée par une ouverture de largeur réduite telle que celle représentée sur la Fig. 5 sur laquelle on remarquera que ltou- verture 34 est plus étroite que la largeur de la rainure au niveau du point 36 par exemple. Cette forme de section permet d'obtenir une action capillaire optimale pour transporter le liquide avec un débit maximal. En outre, les bandes ou plages de métal qui forment les rainures établissent un trajet à faible impédance thermique entre les parois du conduit de chaleur et 1'interface liquide-vapeur ou l'r-'vaporation et la condensation se produisent. Un séparateur de courants 40 B s'étend sur une partie importante de la longueur du tube 22. Le séparateur de courants comporte une plaque disposée horizontalement 42 qui s'étend transversalement pratiquement sur tout un diamètre du tube. Le séparateur de courants 40 comporte une plaque similaire 44 disposée à angle droit de la plaque 42. La section en forme de X résultante permet de monter le conduit de chaleur 20 et en conséquence le dispositif 10 dans l'une ou l'autre de deux positions tout en maintenant la présence d'une plaque de séparation horizontale. En outre, la section en forme de X assure un positionnement convenable du séparateur de courants et le séparateur peut être fabriqué économiquement par extrusion et est relativement rigide. Pour la description du fonctionnement, on supposera tout d1a- bord que l'air qui entre dans le passage 12 est plus chaud que l'air qui sort du passage 14. Dans ce cas, la phase liquide à ltextrnmité des conduits de chaleur 20 quiet disposée dans le passage 12 est vaporisée. Etant donné que la surface 30 de la phase liquide-est située dans la moitie inférieure du tube, la vapeur peut se déplacer librement dans la moitie supérieure du tube jusqu'à l'extrémité opposée des conduits de chaleur où elle condensée par l'air plus froid s'écoulant dans le passage 14.Lorsque les vapeurs du fluide de travail sont condensées, le liquide retourne alors le long du fond du tube par suavité étant donné que le tube est disposé à peu près de niveau0 Le rendement du tube peut etre réduitS comme il peut être désirable dans certaines applications, en inclinant les conduits de chaleur de sortequ'une partie de la section d'évaporation est privée de liquide. Bien que les rainures capillaires 32 puissent etre formées par 1ne spirale continue, aucun transport longitudinal du liquide n'est effectué par ces rainures. Cependant, les rainures capillaires 32 transportent effectivement la phase liquide du fluide de travail vers le haut au-dessus du niveau 30 du liquide pour accrottre de façon importante la surface de l'interface liquide-vapeur sur toute sa longueur. Si l'air qui entre dans le passage 12 est plus froid que l'air qui sort par le passage i4, 11 extrémité droite des con- duits de chaleur 20 devient alors la section évaporateur et l'extré- mité gauche des conduits devient la section- condenseur et le sens d'écoulement du fluide de travail dans les phases vapeur et liquide est inversée.Il en résulte qu'aucune interversion des courants d'air ou changement de fonctionnement du dispositif n'est nécessaire aux changements de saisons. Lorsque des gradients de température élevés existent entre l'air qui selrouve dans le passage 12 et celui qui se trouve dans le passage 14, tels que ceux qui existent lorsque l'air qui entre est au-dessous de OOC et 1'air qui sort est à une température comprise entre 210C et 270C, les volumes importants de vapeur engendrée s'ê coulent à grande vitesse de la section evaporateur à la section condenseur. Dans des conduits de chaleur qui ne comportent pas le séparateur de courants 40, ce phénomène est susceptible de provoquer la formation de vagues dans le liquide qui retourne le long du fond des tubes.Lorsque les vagues deviennent suffisamment hautes pour atteindre le sommet du tube, le liquide se déplace par bouchons limitant ainsi la vitesse de la vapeur à celle des bouchons de liquide. Ceci réduit le volume de vapeur qui est transféré à un niveau si faible que tout échange thermique significatif cesse. La plaque horizontale 42 du séparateur de courants 40 sépare la vapeur contenue dans la moitié supérieure du tube, du liquide, contenu dans la moitie inférieure, tendant ainsi à empêcher la forma- tion de vagues dans la moitié supérieure avec l'écoulement du fluide par bouchons qui en résulte. La plaque verticale 44 nta pas a'effet sur le fonctionnement mais sert de raidisseur et de moyens de positionnement pour la plaque horizontale 42. En outre, la plaque 44 peut devenir la plaque horizontale si le dispositif 10 est tourné de 900 lors du montage. Ainsi, le dispositif 10 peut être monté de façon à s'adapter aussi bien à des passages 12 et 14 horizontalement disposés que verticalement disposés.Naturellement d'autres orientations du dispositif 10 peuvent étre utilisées si les plaques 42 et 44 sont positionnées de la façon appropriée dans les tubes. On notera que les bords des plaques 42 et 44 peuvent s'étendre en contact avec les parois du tube 22 sans interrompre l'écoulement vers le haut ou vers le bas du liquide par les rainures capillaires 32. Ceci permet au séparateur 40 d'être extrudé sous forme d'un profilé à section continue sans aucune ouverture ou encoche le long de ses bords pour permettre au liquide de s'écouler autour des bords de la plaque bien que des encoches puissent être également prévues si désiré. Les dimensions, le pas et la géométrie en section des rainures capillaires 32 peuvent être modifiés pour permettre d'obtenir l'action capillaire optimale pour différents fluides de travail. Les dimensions et la forme optimales des rainures capillaires peuvent être déterminées mathématiquement en partant des informations sur les phénomènes de tension superficielle qui peuvent être trouvées dans la documentation relative à ce domaine. Bien que l'invention décrite ici soit particulièrement appropriée pour être utilisée dans les systèmes d'échange de chaleur fer mués* les diverses caractéristiques de l'invention sont également utilisables dans les échangeurs de chaleur, en général. Par exemple, les bandes venues de matière avec le tube a, b, es d, etc... forment des ailettes en une seule pièce avec le tube qui diminuent l'impédance thermique de la paroi du tube à l'interface liquide-vapeur sans introduire l'interface métal-métal qui, sinon, formerait une barrière thermique, comme ceci est le cas dans les installations à mèche capillaire plus classiques. Des ailettes similaires peuvent également étre armées sur la surface extérieure d'un tube pour former des rainures capillaires. Les rainures capillaires peuvent être utilisées dans un système de chaudière ou d'évaporateur quelconque dans lequel la phase liquide et la phase vapeur se trouvent toutes deux dans la même chambre. Le séparateur de courant 40 est également utilisable d'une manière générale dans les systèmes à deux phases. - REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enveloppe tubulaire close approximativement rectiligne ayant des parois et au moins deux sections entre lesquelles lténergie thermique doit ttre transférée ; - un fluide de travail ayant une phase liquide et une phase vapeur à la température de fonctionnement du dispositif, la phase liquide s'élevant dans au moins une première section à un niveau inférieur à la hauteur de la partie de ltenveloppe formant la ladite section ; et - des moyens capillaires formés dans les parois de l1en- veloppe dans ladite première section pour transporter la phase liquide vers le haut au-dessus de la phase liquide se trouvant dans ladite première section par l'action de la capillarité. 2 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens capillaires comprennent une série de rainures capillaires. 3 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rainures capillaires ont des ouvertures plus étroites que les autres parties des rainures pour améliorer l'action capillaire-. 4 - Dispositif d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en - ce que ladite enveloppe a une forme générale tubulaire dans au moins ladite première section et en ce que lesdites iainures capillaires s'étendent sur à peu près tout le tour de la surface intérieure de la section tubulaire. 5 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les rainures capillaires sont formées en une spirale à peu près continue. 6 - Dispositif d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 caractérisé en ce que ladite enveloppe est de forme cylindrique dans au moins ladite première section. 7 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication caractérisé en ce que la phase liquide du fluide de travail se trouve à un niveau commun dans lesdites sections, au moins au nombre de deux, entre lesquelles l'énergie thermique doit étre transférée, ledit niveau étant situé entre les limites supérieure et inférieure des parties de l'enveloppe qui forment les sections respectives; et en ce que des moyens capillaires sont ~formés dans les parois de l'enveloppe, dans lesdites sections au moins au nombre de deux, pour transporter la phase liquide vers le haut au-dessus du niveau de la phase liquide dans les sections respectives. 8 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens capillaires comprennent une série de rainures capillaires. 9 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les rainures capillaires ont des ouvertures plus étroites que les autres parties des rainures pour produire une action capillaire perfectionnée. 10 - Dispositif d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite enveloppe a une forme générale tubulaire dans chacune desdites sections, au moins u nombre de deux, et en ce que lesdites rainures capillaires s'étendent sur à peu près tout le tour de la surface intérieure de la section. 11 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite enveloppe est de forme générale cylindrique dans chacune desdites sections. 12 - Dispositif d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la rainure capillaire dans chacune desdites'sections est une rainure en spirale à peu près continue. 13 e Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe est un organe tubulaire ayant une orientation générale horizontale et ayant des extrémités hermétiquement obturées. 14 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 13 caractérise en ce que l'organe tubulaire est de forme cylindrique. 15 - Dispositif d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé on ce que les moyens capillaires s'étendent sur à peu près toute la longueur de l'organe tubulaire. 16 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens capillaires comprennent une série de rainures capillaires s'étendant circonférentiellement. 17 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens capillaires comprennent une rainure capillaire en spirale à peu près continue. 18 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 13, caractérisé en ce qutil comporte des moyens pour cloisonner l'orga- ne tubulaire de façon à séparer au moins partiellement le courant longitudinal de la phase vapeur, dans la partie supérieure de l'or- gane tubulaire, de la phase liquide, dans la partie inférieure. 19 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens de cloisonnement comportent une plaque ayant une orientation générale horizontale, s'étendant trans versalement approximativement sur toute la largeur de Itorgane tubulaire et longitudinalement sur une partie importante de la longueur de l'organe tubulaire. 20 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 19, caractérisé en ce que les moyens capillaires comprennent une série de rainures capillaires. 2f - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 19, caractérisé en ce que les moyens de cloisonnement comprennent un organe s'étendant dans le sens longitudinal du tube et comportant un organe en forme de plaque disposé dans une orientation générale horizontale et un organe en forme de plaque disposé dans une orientation générale verticale, au moins l'un des organes en forme de plaque s'étendant en contact avec les parois latérales de l'enveloppe tubulaire pour supporter les moyens de cloisonnement. 22 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 21, caractérisé en ce que : 11 organe tubulaire est de forme générale cylindrique ; les moyens capillaires comprennent une pluralité de rainures capillaires s'étendant circonférentiellement autour de la surface intérieure de organe tubulaire, et les moyens de cloisonnement comportent une plaque disposée dans une îtrientation générale horizontale et une plaque disposée dans une orientation générale verticale, chacune des plaques stétendant à peu près sur un diamètre de 1' organe tubulaire et sur une partie importante de la longueur de 1 'organe tubulaire. 23 - Dispositif d'échange de chaleur caractérisé en ce qu'il comprend t une enveloppe allongee obturée de façon hermétique disposée suivant une orientation générale horizontale ; des moyens cloisonnant longitudinalement l'enveloppe en une région supérieure et une région inférieure ; un fluide de travail à l'intérieur de l'enveloppe, ayant une phase liquide et une phase gazeuse à la tem pérature de fonctionnement du dispositif, la phase liquide étant limitée à la région inférieure ; et des moyens capillaires dans au moins une partie de l'organe tubulaire pour transporter la phase liquide de la région inférieure à la région supérieure. 24 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 23, caractérisé en ce que les moyens cabillaires comprennent des rainures capillaires formées dans les parois de 1'enveloppeO 25 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'enveloppe est un organe tubulaire de forme générale cylindrique comportant des extrémités fermées de façon hermétique t les moyens capillaires comprennent une pluralité de rainures capillaires s'étendant circonférentiellement formées dans la paroi intérieure de l'organe tubulaire ; et les moyens de cloisonnement comprennent des moyens formant plaque disposées suivant une orientation générale horizontale s'étendant transversalement et longitudinalement par rapport à l'organe tubulaire 26 - Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 25, caractérisé en ce que les moyens de cloisonnement comportent des moyens formant plaque disposés dans une orientation générale verticale s'étendant transversalement et longitudinalement par rapport à l'organe tubulaire. 27 - Dispositif d'échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend un tube cylindrique en matière conductrice de la chaleur comportant une pluralité d'ailettes s'étendant circonférentiellement venues de matière avec la surface intérieure du tube, chaque ailette ayant une dimension radiale supérieure à la largeur de l'ouverture entre les ailettes adjacentes, les ailettes adjacentes formant des rainures capillaires pour la phase liquide d'un fluide qui est destiné à être vaporisé par la chaleur transférée à travers les parois du tube, les ailettes ayant une forme en section transversale qui telle quelle comporte une partie, au voisinage de son extrémité, qui s'étend vers une ailette adjacente sur une plus grande distance que la partie de l'ailette du voisinage de la base de l'ailette, formant ainsi une rainure capillaire présentant, en section transversale, une ouverture étranglée.