Brevet FR2256389A1 — publié le 19750725

La présente invention concerne les échangeurs thermiques en général et plus précisément un échangeur thermique perfectionné, dans lequel le réfrigérant liquide est amené à circuler dans. des canaux définis par des parties adjacentes en forme d'ailettes de ltéchangeur, avec une vitesse suffisante pour arracher des parois des canaux les fractions vaporisées du réfrigérant, en maintenant par là un taux élevé de transfert entre ltéchangeur et le réfrigérant. Dans l'art antérieur on a propose des échangeurs thermiques dans lesquels un certain nombre d'ailettes se dressent vers l'ex te'rieur à partir de l'élément échangeur. Une jaquette extérieure entoure les ailettes à ltécart de celles-ci et forme ainsi dans l'espace annulaire compris entre les ailettes et la jaquette un canal qu'emprunte le réfrigérant.Le réfrigérant liquide est oblige de passer dans cet espace annulaire pour retirer de l'échangeur la fraction vaporisée du réfrigérant et pour entraSner cette fraction vaporisée dans le courant liquide en vue de la condenser par transfert de chaleur de la fraction vaporisée à fa masse liquide non Xvaporisée. On fait ensuite passer le réfrigérant par un second échangeur pour lui enlever de la chaleur. Le réfrigérant ainsi refroidi est recyclé dans le premier échangeur. Des échangeurs thermiques de la sorte ont été proposés pour refroidir les anodes de tubes électroniques. Dans un dispositif particulier de llart antérieur le pourtour extérieur de l'échangeur comporte un certain nombre d'ailettes de direction longitudinale en vue de définir un réseau circulaire de canaux longitudinaux de réfrigérant, s'étendant en direction de la longueur de l'anode d'un tube électronique à refroidir. Un manifold d'entrée est constitué par un certain nombre de conduits de direction longitudinale qui viennent déboucher entre ailettes adjacentes de l'échangeur. Un réseau de fines ouvertures est pratiqué au long de la paroi intérieure des conduits pour réaliser une multiplicité de jets de réfrigérant de direction radiale qui seront projetés contre les fonds des canaux longitudinaux de réfrigérant de l'échan- geur.Ces jets de réfrigérant servent à décoller les fractions vaporisées de réfrigérant qui autrement se formeraient sur les fonds de ces canaux de réfrigérant de l'échangeur, ceci en vue d'améliorer les transferts de chaleur de 1'échangeur au réfrigérant. Un tet échangeur et le procédé de refroidissement correspondant sont décrits par le brevet américain n 3 414 753 du 4 décembre 1968. Mais ce type d'échangeur soulève des difficultés tenant à ce qu'il est relativement complexe et à ce que les trous fins qu'il comporte pour réaliser des jets de réfrigérant peuvent s'obstruer en cours de service. Dans un autre échangeur de l'art antérieur, un certain nombre d'ailettes se dressent vers l'extérieur de l'échangeur et sont disposées en hélice pour définir entre elles un certain nombre de canaux hélicoidaux de réfrigérant, communiquant avec un canal extérieur de forme plate, défini entre les tranches. extérieures des ailettes et une paroi tubulaire environnante de manifold. Le réfrigérant est dirigé au travers du canal annulaire de forme plate sous un angle notable avec la direction des canaux hélicoidaux pour provoquer un écoulement turbulent dans les canaux. Cet écoulement turbulent est destiné à décoller de la surface de l'échangeur la fraction vaporisée du réfrigérant et à évacuer cette fraction vaporisée dans le courant liquide, en vue de sa condensation dans la masse de ce courant.Le réfrigérant est ensuite amené à traverser un second échangour et est recyclé au moyen d'une pompe dans le dispositif à refroidir. Ce second type d'échangeur et de refroidissement est défini par le brevet français N 1 502 797 du 15 septembre 1966. il est également connu de l'art antérieur de renforcer un collecteur à ailettes de faisceau d'électrons ou autre échangeur à ailettes, par exemple en cuivre, en liant une jaquette à haute résistance mécanique, par exemple en acier inoxydable, aux tranches ex térieures des ailettes. Un tel collecteur ou échangeur analogue est décrit par le brevet américain NO 3 374 523 du 26 mars 1968. Bien que ce dernier dispositif de l'art antérieur supprime les difficultés inhérentes aux minces jets de réfrigérant, utilisés par le premier dispositif mentionné ci-dessus, 1'action de décollement est inférieure à l'optimum désiré car les fonds des canaux de réfrigérant entre ailettes adjacentes sont portés à des températures de l'ordre de 250C, or il est désirable de réduire cette température autant que possible tout en assurant une certaine vaporisation du réfrigérant liquide sur les fonds des canaux. Un autre inconvénient des mécanismes de refroidissement de l'art antérieur que l'on vient de rappeler, tient à ce que le coeur de 1'échangeur thermique doit être relativement épais pour pouvoir se maintenir de lui-même en cours de service à des températures élevées, en particulier dans le cas où la pression extérieure est de l'ordre de 1 à 2 atmosphères, pression couramment rencontrée sur un collecteur de tube électronique. La présente invention a principalement pour but de proposer un échangeur thermique perfectionné dans lequel la fraction vaporisée du réfrigérant est retirée de la surface extérieure de l'élément échangeur au moyen d'un coaraat àgrazde vitesse de réfrigérant liquide. A cette fin suivant l'invention un certain nombre de canaux de réfrigérant sont définis entre parties adjacentes d'ailettes dresses s vers 1'extérieur de l'échangeur, et le réfrigérant est amené à passer dans ces canaux à une vitesse suffisante pour décoller et évacuer les fractions vaporisées de réfrigérant qui se sont formées à la surface de l'échangeur. Avantageusement ltéchangeur comporte une jaquette de résistance mécanique relativement élevée qui est liée aux tranches extérieures des ailettes de l'échangeur, en vue de définir des canaux de réfrigérant entre la jaquette et les ailettes adjacentes. Une telle jaquette de haute résistance mécanique assure un raidissement de la structure composite de l'échangeur, en vue d'empêcher toute déformation indésirable de cette structure, notamment dans le cas où lté- changeur travaille à des densités de puissance élevées et par conséquent à des températures élevées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'une forme préférée de réalisation et à 1 'exa- men des dessins annexés correspondants dans lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique de l'ensemble d'un système de refroidissement répondant aux données de l'invention ; - la Fig. 2 est une vue en coupe à plus grande échelle d'une partie de la structure de la Pig. 1, correspondant à la partie encerclée en 2-2 de cette figure ; et -. la Fig. 3 est une vue en coupa de la structure de la Fig. 2, prise suivant la ligne 3-3 de cette figure. Dans un système refroidisseur par échange thermique 11 répondant aux données de l'invention, tel qu'il est représenté à la Fig. 1, un réfrigérant liquide, par exemple de liteau à 95 C - 99 C est recueillie, dans une bâche 12 et reprise par une pompe 13 pour être refoulée par un conduit électriquement isolant, par exemple un flexible en caoutchouc, à l'entrée d'un échangeur 15. Cet échangeur coopère avec un appareil à refroidir1 par exemple l'anode ou le collecteur d'un tube à faisceau d'électrons. Le réfrigérant est contraint de suivre un chemin hélicoïdal autour de l'extérieur de l'échangeur 13 en passant dans des canaux en hélices formés sur cet échangeur, à la manière décrite ci-après de façon plus détaillée à l'aide des Figs. 2 et 3, ceci pour enlever de la chaleur à l'échangeur à refroidir. Dans ce processus, la chaleur fournie à l'éliment 15 est suffisante pour entratner la vaporisation d'une fraction du réfrigérant mis au contact de cet échangeur. La fraction vaporisée du réfrigérant est "décollée" de la surface de l'échangeur 15 par suite de la grande vitesse du courant de réfrigérant en phase liquide. Le réfrigérant liquide ayant une fraction vapeur entratnée, par exemple à 5% de vapeur entraînée dans de l'eau à 100 C, est recueilli au moyen d'un manifold collecteur, puis envoyé à un second conduit électriquement isolant 16, par exemple un flexible en caoutchouc, et à un second échangeur thermique 17, pour être finalement ramené à la bâche 12. Une soupape 18 de purge et de streté est disposée dans le second échangeur 17 à la fois pour purger le réfrigérant de l'air entraîné et évacuer le réfrigérant vaporisé en excès arrivant dans ce second échangeur 17, en cas de surcharge brusque du système0 L'échangeur 17 peut dtre àeau eau ou à air de refroidissement, c'est-à-dire un échangeur dans lequel un second fluide rdfri- gérant (air ou eau) est amené en traversant cet échangeur à enlever de la chaleur au réfrigérant primaire venant de 1' échangeur 15. Un vase d'expansion 19 est associé à la bâche 12; il peut renfermer une charge d'azote contenue à l'arrière d'une membrane 20 ou bien être ouvert à l'air libre. Le réfrigérant primaire est constitué de préférence par de l'eau déionisée. Tel qu'il est représenté aux Figs. 2 et 3 auxquelles on se reportera maintenant, un échangeur thermique 15 suivant ltinténtion, comporte un coeur cylindrique creux 21 qui peut être constitué par exemple par l'anode sous vide d'un tube à faisceau d'électrons ou le collecteur d'un tube à faisceau rectiligne, tel que klystron, tube à onde progressive, etc. Le coeur 21 est en un matériau conducteur thermique tel que cuivre ou aluminium. Dans le cas où le coeur 21 est l'anode d'un tube à faisceau d'électrons, il est fermé à son extrémité extérieure au moyen d'une paroi en dôme 22. Un certain nombre d'ailettes 23 orientées en direction radiale, par exemple en cuivre, sont formées sur la face extérieure du coeur 21, par exemple par usinage ou par brasage. Ces ailettes 23 sont disposées au long d'un chemin hélicoïdal tournant autour du coeur 21 pour définir entre elles un certain nombre de canaux 24 d'allure hélicoidale. Une jaquette cylindrique 25 en un matériau de résistance mécanique notablement plus grande, à température élevée, que celle du coeur 21 et des ailettes 23, ceinture celles-ci et est liee à leurs tranches extérieures, par exemple par brasage. Dans une forme courante de réalisation, la jaquette cylindrique 25 est en acier inoxydable non magnétique ou en alliage dit MONEL, alors que le coeur 21 et les ailettes 23 sont en cuivre ou en aluminium. Le diamètre extérieur du coeur 21 est de 87,6 mm, le coeur est fraisé-de six gorges de 4,3 mm de largeur et de 5,1 mm de pr* fondeur, ces gorges courant parallèlement l'une à l'autre avec un angle de pente de 7,5 degrés. La longueur sur laquelle le collecteur 21 est muni d'ailettes ou de gorges est de 62,5 mm. Le coeur 21 a une épaisseur de paroi de 5,1 mm. La jaquette 25 est brasée sur les tranches extérieures des ailettes 23 et a une épaisseur de paroi de 0,5 mm. La puissance thermique fournie au coeur 21, par exemple par réception dtun faisceau d'électrons sur la face intérieure de ce coeur, est suffisante pour porter le coeur à une température telle que le réfrigérant liquide, tel que eau déionisee, se trouvant dans les régions des canaux 24 les plus proches de ce coeur et longeant la face extérieure du coeur, se vaporise. D'une façon plus précise, dans le cas où l'eau réfrigérante est à une pression de 1 atmos phère au-dessus de la pression atmosphérique, le point d'ébullition de cette eau est à 125iC qui sera la température de la paroi extérieure du coeur 21, formant la paroi intérieure des gorges ou canaux 24. Le réfrigérant est refoulé dans les canaux 24 à une vitesse suffisante, par exemple supérieure à 3 metres/seconde, de façon que llécoulement réalisé dans les canaux 24 se succédant en tracé héli cotidal soit turbulent.Cette turbulence est rendue suffisamment intense pour décoller la vapeur de la face intérieure à 125 C de chaque gorge ou canal et l'évacuer. Cette vapeur arrachée de la surface du coeur 21 est entraînée par le courant de liquide réfrigérant et transportée par lui jusque dans le manifold collecteur, puis dans le second échangeur 17. Dans une forme courante de réalisation, il y a environ 5* de liquide réfrigérant à être vaporisés et entraînés dans le liquide transféré au second échangeur 17. La fraction vaporisée du réfrigé rant se condense soit dans le second échangeur 17, soit dans le courant allant à cet échangeur. La jaquette 25 confère une résis tance mécanique notable à la structure composite 15 et réduit notamment la tendance du coeur 21 en métal tendre à se creuser sous la pression atmosphérique augmentée de la pression relative du fluide et appliquée à 1textérieur de ce coeur. En fonctionnement on réalise au moins 1% de vaporisation du liquide réfrigérant au sein de l'échangeur 15. La valeur de cette fraction peut Btre déterminée en calculant la puissance dissipée par le collecteur du fait de l'élévation de température du réfrigérant et en retranchant la puissance ainsi trouvée de celle qui est fournie au total au collecteur. La différence représente la fraction de puissance consacrée à la vaporisation de liquide réfrigérant.De façon plus précise le produit de 11 élévation de température par le débit de réfrigérant et par la chaleur spécifique de celui-ci représente la; fraction de puissance enlevée par l'élé- vation de température du réfrigérant0 La fraction restante de la puissance totale dissipée est due à la vaporisation partielle du réfrigérant. Dans le processus d'échange thermique suivant l'invention, il y a au moins 1% en volume de réfrigérant à être vaporisé. Cette vaporisation peut Entre détectée en attachant un accéléromètre à la jaquette 25 de l'échangeur 15 à essayer. L'accéléromètre fonctionne en microphone à contact. Quand on amplifie son signal de sortie et qu'on le transmet à un haut-parleur on peut entendre trois types diffdrents de bruits. A des débits treks élevés du réfrigérant et à des densités de dissipation de puissance très faibles on ne peut percevoir qu'un léger murmure.Ceci correspond à une situation pour laquelle il n'y a pas de vaporisation de réfrigérant au sein de ltéchangeur. A des densités moyennes de dissipation de puissance et à des débits modérés du réfrigérant, on réalise une combinaison de refroidissement par convection et de refroidissement par vaporisation des bulles, on entend alors un bruit chuintant, C'est le mode de fonctionnement voulu. Dans le cas où le débit de réfrigérant est suffisamment réduit ou bien la densité de dissipation de puissance suffisamment accrue. on entend un bruit pétaradant et on de pression observe des fluctuations/sur un manomètre inséré dans le conduit d'eau. Ces deux effets sont dus à l'apparition par endroits d'une vaporisation par pellicules localisées à haute température. il faut alors augmenter le débit de réfrigérant ou réduire la densité de dissipation de puissance pour faire cesser ce mode de fonctionnement dans lesdits endroits. Le mécanisme prédominant de refroidissement dans le procédé de refroidissement par échange thermique suivant l'invention est la vaporisation du réfrigérant liquide dans les régions les plus profondes des gorges ou canaux par lesquels passe le réfrigérant. Il n'est donc pas indiqué d'abaisser notablement la température du réfrigérant à son entrée dans 17 échangeur 15, bien au dessous du point d'ébullition. Il est bien indiqué par exemple d'abaisser la température du réfrigérant à son entrée dans l'échangeur de quelques degrés seulement au dessous du point d'ébullition. Donc dans le cas où le liquide réfrigérant est de l'eau, le condensat renvoyé à la boche n'a besoin que d'entre refroidi à 99 & à la pression atmos-phérique. La pompe fait ensuite monter pression du réfrigérant à environ 1 atmosphère au-dessus de la pression atmosphérique, à l'entrée dans l'échangeur 15. Donc dans une forme préférée de réalisation, le réfrigérant dans la boche voit sa température inférieure d'au plus 5 degrés centigrades au point d'ébullition du liquide réfrigérant à la pression régnante dans la bâchez RVEND1CAT1ONS 1 - Procédé de refroidissement au moyen dtun échangeur thermique dont une partie est constituée par un certain nombre d'ailettes dressées sur lui, ce procédé consistant à diriger un courant de réfrigérant liquide dans des canaux formés entre ailettes adjacentes pour refroidir l'échangeur et à fournir à cet échangeur une puissance thermique suffisante pour vaporiser au moins une fraction du débit volumétrique de réfrigérant liquide à la surface de l1échangeur, caractérisé en ce- quelle courant de réfrigérant liquide est envoyé dans les canaux en direction de ceux-ci avec une vitesse suffisante pour réaliser un écoulement dont la turbulence est suffisamment intense pour décoller de l'échangeur et en évacuer la fraction vaporisée du réfrigérant liquide. 2 - Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tranches extérieures des ailettes adjacentes sont liées à un élément renforçateur enveloppant, fait en un matériau d'une résistance mécanique plus élevée que le matériau constitutif du coeur et des ailettes, en vue de raidir l'échangeur et de constituer la paroi extérieure des canaux de réfrigérant formés entre ailettes adjacentes. 3 - Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérise en ce que 1 échangeur est de forme générale cylindrique et en ce que les ailettes définissant les canaux de réfrigérant sont enroulées en hélices autour du pourtour extérieur de li echangeur. 4 - Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction de réfrigérant vaporisée est d'au moins 1% en volume du débit volumétrique du réfrigérantq 5 - Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la condensation de la fraction vaporisée du réfrigérant se fait dans le courant de liquide sans séparer la phase liquide de réfrigérant de sa phase vapeur. 6 - Procédé de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le recyclage du condensat de réfrigérant se fait à une température qui n'est pas inférieure de plus de 5 degrés centigrades au point d'ébullition de ce condensat dans les conditions régnantes de pression.