Brevet FR2429403A1 — publié le 19800118

La présente invention est relative à un échangeur de chaleur d'un type nouveau, susceptible d'être utilisé dans diverses industries, qu'il s'agisse de traitements de la vapeur d'eau ou de tout autre fluide, notamment de fluides organiques. On connait des échangeurs classés dans deux grandes familles : échangeurs de surface ou échangeurs par mélange la présente invention est à classer dans la première famille. On distingue, dans cette meme famille, des échangeurs tubulaires et des échangeurs à plaques ; l'invention s'apparente à la première catégorie. Dans celle-ci, comportant un faisceau de tubes traversant une enceinte, on fait circuler l'un des fluides à travers les tubes qui baignent dans l'autre substance, circulant dans l'enceinte. Il apparaît que les deux fluides sont en contact thermique le long d'une seule paroi, celle du pourtour de chacun des tubes. Il est possible d'améliorer cette situation et c' est l'un des buts que se propose la présente invention. Selon celle-ci, l'échangeur de chaleur entre deux fluides, de forme généralement allongée, de préférence sensiblement cylindrique, dont les génératrices s'appuient sur une ligne courbe,polygonale ou mixte, comporte une pluralité de chambres parallèles aux génératrices, lesdites chambres étant groupées en deux ordres échelonnés alternativement, un premier ordre et un second ordre, ledit échangeur étant caractérisé en ce que chaque fluide est ainsi simultanément en contact avec l'autre fluide, par l'intermédiaire des deux parois longitudinales de chacune des chambres qu'il traverse dans la majeure partie de l'échangeur, ledit echangeur étant encore caractérisé en ce que lesdites chambres sont, au moins partiellement, comprises les unes dans les autres. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'un des deux fluides traverse toutes les chambres de premier ordre, l'autre fluide traversant toutes les chambres de second ordre et ce, à contre-courant du premier. Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux fluides circulent au moins partiellement dans le meme sens, dans deux chambres contiguës de deux ordres différents. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'échangeur selon l'invention comporte des moyens dtinterconnexion, entre elles, desdites chambres de chacun des deux ordres. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'échangeur comporte à chacune de ses extrémités,une surface de séparation en deux parties de ladite extrémité,de telle sorte que chacune des extrémités des chambres soit divisée en deux parties disposées chacune de part et d'autre de ladite surface. Selon une variante de l'invention, tûtes les chambres de 1' échan- geur sont obturées, sauf, d'un de ses côtés, l'entrée d'un des fluides et la sortie de l'autre fluide alors que de l'autre coté, restent ouvertes respecti vement la scotie de l'un des fluides et l'entrée de l'autre. Selon un mode de réalisation particulier de 1' invention, 1 'agence- ment entre elles des chambres des deux ordres est tel que chacun de ces ordres forme une chambre cylirdricple unique de section transversale en flve de spirale partant de la zone axiale de l'echangeur et se développant vers la péri phérie de celui, les deux spirales ainsi constituées s'imbriquant l'une dans l'autre. Selon une caractéristique de ce mode de réalisation particulier, chacune des surfaces extrêmes respectives desdits premier et second ordres est assemblée d'une manière étanche avec l'autre surface extrême et ce, selon deux génératrices de l'echan- geur. Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, l'agencement entre elles des chambres des deux ordres est tel que chacun de-ces ordres forme un ensemble de chambres cylindriques dont la section est constituée par un anneau différentiel ou rondelle, lequel représente la différence entre les surfaces des deux cercles concentriques, lesdites chambres étant imbriquées les unes dans les autres d'une manière telle que les différentes chambres du premier ordre et du second ordre se succèdent alternativement en partant de la zone axiale de l'échangeur vers sa périphérie. Selon une caractéristique de ce second mode de réalisation particulier de l'invention, un cache transversal de forme appropriée obture de manière étanche les extrémités des parois de deux chambres successives de même ordre, parois dûment prolongées, de manière à former une chicane dirigeant le fluide circulant dans l'une des chambres concernées, pour le renvoyer en sens contraire dans l'autre desdites chambres. 'Selon une caractéristique de ce second mode de réalisation particulier de l'invention, la chambre centrale de l'échanXeur est obturée, sur une partie de sa section, à l'une des extrémités de l'échangeur et sur une partie de ladite section, a l'autre extrémité de l'échangeur. Selon une caractéristique de l'invention, l'entrée dans l'échangeur, d'un des fluides, s'effectue par au moins une chambre du premier ordre, à l'une des extrémités de l'appareil et d'un premier cdté de la surface de séparation, ledit fluide sortant par l'autre extrémité de l'échangeur et du second coté de ladite surface, alors que l'autre fluide entre par cette dernière extrémité, du premier côté de ladite surface pour sortir à l'autre extrémité de l'échangeur, du second caté de la surface en question. Selon une caractéristique de l'invention, des parois des chambres comportent des ailetages appropriés, afin d'accroitre la surface des échanges thermiques. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispsitions, qui ressortiront de la description qui va suivre. Un cas particulièrement-intéressant de l'application de l'invention est celui où de l'eau sanitaire est chauffée au primaire à l'aide d'une boucle d'eau glycolée se refermant sur des capteurs solaires. L'eau de ville ainsi réchauffée s'écoule dans un ballon approprié. Parmi les avantages de l'échangeur selon l'invention, on doit citer sa compacité, ses performances thermiques remarquables, son prix peu élevé, sa grande fiabilité, ainsi que l'abaissement notable du taux de pollution de l'appareil. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la Figure 1 est une coupe verticale schématique d'un exemple particulièrement avantageux de réalisation de l'échangeur selon l'invention, - la Figure 2 est une section transversale de l'appareil, - la Figure 3 est une vue en bout, selon la flèche F1 de la Figure 1, - la Figure 4 est une vue en bout selon la flèche F2 de la Figu re 1, - la Figure 5 est une coupe verticale schématique d'un autre exemple de réalisation de l'échangeur selon l'invention, - la Figure 6 est une vue en bout, selon la flèche Fl de la Figure 5, - la Figure 7 est une vue en bout selon la flèche F2 de la Figure 5, - la Figure 8 est une coupe verticale schématique d'un autre exemple de réalisation de l'échangeur selon l'invention, - la Figure 9 est une coupe verticale schémtique d'un autre exemple encore de réalisation de l'échangeur selon l'in vention, et - la Figure lO est une vue en perspective montrant le mode d'obturation en chicane de l'extrémité de certains échangeurs selon la présente invention. Il doit entre bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. On voit, sur les Figures 1 à 4, un exemple particulièrement avantageux de réalisation de l'invention, dans lequel l'échangeur comporte deux chambres en forme de cylindres spiralés, chambres imbriquées l'une dans l'autre et se développant en partant de la zone axiale de l'échangeur vers sa périphérie. Le double système spiralé ainsi constitué est remarquable en ce que l'on affecte à chacun des deux fluides l'une des chambres ainsi constituées. On voit sur la Figure 1, l'arrivée du premier fluide, désigné par A, en Aî, par la droite de la Figure et en-dessous du plan médian 7. Parcourant les chambres correspondantes, ce fluide s'échappe par A'1, à l'extrémité opposée de l'échangeur et audessus de la surface de séparation 7. La circulation du fluide B s'opère, entre l'entrée B1 et la sortie B'1, d'une manière tout à fait analogue. Les Figures 3 et 4 définissent respectivement les modes de disposition des différents caches 8, 8a et 9 et ce, de manière à permet- tre la circulation des deux fluides telle qu'elle vient d'être définie ; comme représenté, ladite disposition est alternative, aussi bien par rapport à la surface de séparation 7 de chaque extrémité qu'en ce qui concerne les deux extrémités de l'appareil, du même côté de ladite surface de séparation 7. Il est à noter l'imbrication étroite des deux chambres spirales l'une dans l'autre et, par voie de conséquence, le fait que chaque fluide est au contact de l'autre (par l'intermédiaire d'une paroi de séparation) sur les deux faces d'une meme chambre, ce qui accot considérablement le coefficient d'échange thermique recherché. On voit, sur la Figure 4, que les deux surfaces spirales extrêmes se rejoignent l'une à l'autre le long de deux génératrices 13 et 14 le long desquelles lesdites surfaces sont assemblées entre elles de manière étanche. On a également porté sur les Figures 1 et 2, les références desdites chambres, a savoir Cl, pour les chambres de premier ordre, et C2 pour les chambres de second ordre. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, les différentes chambres des deux ordres présentent des sections constituées par un anneau différentiel, ou rondelle, qui représente la différence entre les surfaces de deux cercles concentriques, lesdites chambres étant co-axialement imbriquées les unes dans les autres, d'une manière telle que les différentes chambres d'ordre respectivement impair et pair se succèdent alternativement en partant de la zone axiale de l'échangeur vers sa périphérie. Les parois séparant alors les différentes chambres entre elles, sont constituées par des tubes co-axiaux à base circulaire emmanchés les uns dans les autres. Les Figures à lO représentent un autre mode de réalisation de l'invention. On voit, sur la Figure 5, en 1, les traces sur le plan de la figure du tube extérieur de l'appareil, 2, 3, 4 étant respectivement les traces de tubes successifs, de diamètres de plus en plus réduits, de l'échangeur, le tube inférieur étant celui dont les traces sont désignées par la référence 5. On appellera respectivement a, b, c, d, et e les différents espaces délimités par les tubes ci-dessus. a est l'espace intérieur au tube 5, b est celui compris entre les tubes 4 et 5, c étant celui compris entre les tubes 3 et 4, d étant compris entre les tubes 2 et 3, et e étant compris entre les tubes 1 et 2. On voit, sur les Figures 6 et 7, respectivement en 6 et 7, les traces de la surface de séparation de l'appareil sur les plans des Figures respectives. On voit, en 8, les différents caches destinés à obturer convenablementles espaces b, c, d, et e. Quant à l'espace a, il est délimité par des caches 9. On voit que l'espace d est obturé, à l'extrémité de droite sur la Figure 5, par un cache 8. Il en va de même de l'espace B, sis au-dessus du plan médian 6. Ce sont, par contre, les espaces c et e qui se trouvent être obturés par des caches au-dessous du plan médian 6. On voit, à l'extrémité de gauche de la Figure 5, que les espaces e et c sont obturés au-dessus de la surface de séparation 7, les espaces b et d l'étant au-dessous de cette surface. Quant à l'espace a, il est obturé par un cache circulaire plein à son extrémité de droite au-dessous du plan 6, et à son extrémité de gauche au-dessus de la surface de séparation 7. Dans l'ensemble qui vient d'être décrit, on voit que le fluide A pénètre dans l'échangeur selon les flèches A1, A2 et A3, respectivement dans les espaces e, c et a, pour en sortir selon les flèches A'1, A'2 et A'3, par l'extrémité gauche de l'appareil. C'est l'inverse que l'on fait pour le fluide B, pénétrant à contre-courant, selon les flèches B1 et B2, et s'échappant de l'échangeur selon les flèches B'1 et B'2. Le cas particulier représenté à la Figure 8 est celui où l'on a obturé des deux côtés l'ensemble de l'appareil, à l'exception de l'espace a dans lequel le fluide A pénètre selon la flèche A1 et sort, du coté opposé, selon la flèche A'l, le fluide B pénétrant, du caté gauche selon B1, et s'échappant du cbté droit selon la flèche B'l. Il s'ensuit que, à l'extrémité de droite de l'appareil, les espaces b, c, d et e sont obturés à la partie supérieure, les espaces c, d et e l'étant à la partie inférieure. A l'extrémité gauche de l'échangeur, tous les espaces sont obturés, à l'exception de l'espace d à la partie supérieure et e à la partie inférieure. Des communications, sous forme appropriée, sont réalisées en lO, entre les espaces a et c, en ll entre les espaces c et e, et en 12 entre les espaces b et d. Les Figures 9 et 10 illustrent un exemple de réalisation de l'invention, dans lequel des caches tels que 13 forment, avec les parois de deux tubes de même ordre et qui se suivent immédiatement en allant, par exemple, de la région axiale vers la périphérie, une chicane rendant possible le passage d'un fluide, à l'une des extrémités de l'appareil, d'une quelconque desdites chambres à la suivante. D'une manière générale, les différentes chambres de l'échangeur présentent sensiblement la même longueur dans le sens axial, mais l'on comprendra aisément qu'elles peuvent être de longueurs différentes. Dans certains cas, et pour améliorer encore le rendement des échangeurs thermiques, lesdits espaces différentiels sont équipés d'un ailetage approprié, au besoin, dans un espace sur deux seulement. Ces ailettes sont particulièrement indiquées pour des échanges thermiques entre un gaz et un liquide. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d're décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portez, de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur entre deux fluides, de forme généralement allongée, de préférence sensiblement cylindrique, dont les génératrices s'appuient sur une ligne courbe, polygonale ou mixte, échangeur comportant une pluralité de chambres parallèles aux génératrices, lesdites chambres étant groupées en deux ordres échelonnés alternativement, un premier ordre et un second ordre, ledit échangeur étant caractérisé en ce que chaque fluide est ainsi simultanément en contact avec l'autre fluide, par l'intermédiaire des deux parois longitudinales de chacune des chambres qu'il traverse dans la majeure partie de l'échangeur, ledit échangeur étant encore caractérisé en ce que lesdites chambres sont, au moins partiellement, comprises les unes dans les autres. 2. Echangeur de chaleur selon la Revendication 1, caractérisé en ce que l'un des deux fluides traverse toutes les chambres de premier ordre, l'autre fluide traversant toutes les chambres de second ordre et ce à contre-courant du premier. 3. Echangeur de chaleur selon la Revendication 1, caractérisé en ce que les deux fluides circulent au moins partiellement dans le même sens, dans deux chambres contiguës de deux ordres différents. 4. Echangeur de chaleur selon les Revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'interconnexion, entre elles, desdites chambres de chacun des deux ordres. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des Revendications l à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, à chacune de ses extrémités, une surface de séparation en deux parties de ladite extrémité, de telle sorte que chacune des extrémités des chambres soit divisée en deux parties disposées chacune de part et d'autre de ladite surface. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des Revendications l à 5, caractérisé en ce que des caches de forme appropriée obturent, à l'une des extrémités de l'échangeur et d'un premier cbté de la surface de séparation, les chambres de premier ordre, et du deuxième coté de ladite surface, les chambres du second ordre, alors que, à l'autre extrémité de l'échangeur, ce sont les chambres du second ordre qui sont obturées du premier coté de la surface de séparation et les chambres du premier ordre, du second cbté de la même surface. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des Revendications 1 à6, caractérisé en ce que l'agencement entre elles des deux chambres des deuxtordres est tel que chacun de ces ordres forme une chambre cylindrique unique de section transversale en forme de spirale partant de la zone axiale de l'echan- geur et se développant vers la périphérie de celui-ci, les deux spirales ainsi constituées s'imbriquant l'une dans l'autre. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'agencement entre elles des chambres des deux ordres est tel que chacun de ces ordres forme un ensemble de chambres cylindriques dont la section est constituée par un anneau différentiel ou rondelle, lequel représente la différence entre les surfaces des deux cercles concentriques, lesdites chambres étant imbriquées les unes dans les autres d'une manière telle que les différentes chambres du premier ordre et du second ordre se succèdent alternativement en partant de la zone axiale de l'échangeur vers sa périphérie. 9. Echangeur de chaleur selon la Revendication 7, caractérisé en ce que chacune des surfaces extrêmes respectives desdits premier et second ordres est assemblée d'une manière étanche avec l'autre surface extrême et ce, selon deux génératrices de l'échangeur. lo. Echangeur de chaleur selon la Revendication 8, carac térisé en ce qu'un cache transversal de forme appropriée obture de manière étanche les extrémités des parois de deux chambres successives de même ordre, parois dament prolongées, de manière à former une chicane dirigeant le fluide circulant dans l'une des chambres concernées, pour le renvoyer en sens contraire dans l'autre desdites chambres. 11. Echangeur de chaleur selon les Revendications 8 ou 10, caractérisé en ce que la chambre centrale de l'échangeur est obturée, sur une partie de sa section, à l'une des extrémités de l'échangeur et sur une partie de ladite section, à l'autre extrémité de l'échangeur. 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des Revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'entrée dans l'échangeur d'un des fluides s'effectue par au moins une chambre du premier ordre, à l'une des extrémités de l'appareil et d'un premier côté de la surface de séparation, ledit fluide sortant par l'autre extrémité de l'échangeur et-du second côté de ladite surface, alors que l'autre fluide entre par cette dernière extrémité, du premier côté de ladite surface pour sortir à l'autre extrémité de l'échangeur, du second côté de la surface en question. 13. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque deszr Revendications 1 à 12, caractérisé en ce que des parois des chambres comportent des ailetages appropriés, afin d'accroître la surface des échanges thermiques.