Brevet FR2414081A1 — publié le 19790803

La présente invention est relative à la technique des tubes utilisés pour les échanges thermiques. Au cours des dernières années l'amélioration de la technologie des tubes utilisés pour les échanges thermiques était extrê moment dépendante de l'amélioration du transfert de chaleur en deux phases, c'est-à-dire du transfert de l'énergie thermique par transformation de phase, de la phase liquide à la phase vapeur. Les procédés pour améliorer ce transfert en deux phases comprennent des techniques passives et actives. Les techniques passives comprennent les traitesents de surface, le fait de les rendre rugueuses, l'augmentation des surfaces,les techniques d'écoulement tourbillonnaires, la nodification de la tension superficielle et l'incorporation d'additifs à l'agent de refroidissement.Les techniques actives comprennent les artifices mécaniques, la vibration superficielle, la vibration du fluide et l'addition de champs électrostatiques. Dans le domaine du traitement des surfaces, on dépose différents matériaux sur les surfaces du tube échangeur de chaleur afin de favoriser l'ébullition. Ces matériaux comprennent le Téflon, des oxydes formés sur la surface du tube, et l'addition de poudre de cuivre à grande surface. Ces traitements de surface améliorent la mouillabilité de la surface et ont pour résultat une faible surchauffe de la paroi qui supprime l'hystérésis dans la courbe d'ébullition. Le traitement de la surface pour la rendre rugueuse est une technique utilisée pour réaliser un grand nombre de sites de germination sur les surfaces du tube. Cette technique implique la déformation mécanique de la surface pour réaliser un grand nombre de cavités rentrantes. On fabrique des tubes h surface agrandie au moyen de la technique'des ailettes qui donne des surfaces spécifiques externes importantes au tube et permet des taux très importants de transfert de chaleur si la température de base se trouve dans la plage d'ébullition de la couche limite; cependant l'ébullition germinée n'est pas favorisée avec ce type de tube de transfert de chaleur. Les dispositifs à tension superficielle fonctionnent sur le principe de la mèche qui est basé sur les forces capillaires tandis que l'adjonction d'additifs à l'agent de refroidissement affecte la mouillabilité du tube de transfert de chaleur par l'agent de refroidissement. I1 a été proposé un certain nombre d'artifices mécaniques d'ébullition comprenant l'entrainement en rotation des bouilleurs eux-mêmes, l'introduction de plateaux rotatifs et celle de bulles au voisinage de la surface chaude. Le but recherché en faisant vibrer soit le fluide soit la surface est de former des sites localisés d'ébullition germinée dûs aux variations de la pression dans le liquide. L'utilisation de champs électrostatiques améliore le mélange dans l'agent de refroidissement et est principalement employée avec des fluidesmauvais conducteurs ou diélectriques. Parmi les techniques précitées, celles qui favorisent lté. bullition germinée sont les plus intéressantes du point de vue tecs. nologique. Les paramètres importants dans un système d'ébullition germinée à tube et à agent de refroidissement comprennent la chaleur spécifique du liquide, la chaleur spécifique de la matière constituant le tube, le coefficient de transfert thermique, la chaleur latente de vaporisation la conductivité thermique du liquide et du tube chauffant, la géométrie du site de germination, la température de l'agent de refroidissement, de la vapeur et de la surface, la viscosité du liquide, la tension superficielle et les masses spécifiques du liquide et de la phase vapeur. Le phénomène de l'ébullition germinée implique deux stades séparés. Le premier de ces stades est la germination de la phase vapeur dans le liquide tandis que la seconde est la croissance consécutive de la phase vapeur pour former des bulles au sein du liquide. on a supposé qu'on pouvait atteindre un rendement amélioré du transfert thermique lorsque le processus de germination ne doit pas être reproduit de façon continue. Ce processus de germination nécessite une surchauffe importante.On peut observer un rendement amélioré si l'énergie thermique est transférée par le développement de germes pré-existant de la phase vapeur. Cette solution a eu pour résultat la découverte du fait que des cavités rentrantes constituent des sites de germination d'ébullition extrêmement efficaces. De nombreux brevets décrivent la modification mécanique de la surface d'un tube d'échange thermique pour réaliser de tels sites rentrants. Parmi ces brevets on peut citer les brevets U.S. NO 3 326 283, 3 454 081, 3 566 514, 3 881 342 et 3 906 604. Bien que tous les brevets précités proposent une amélioration de la germina tion par l'introduction mécanique de sites de germination, ces brevets présentent tous l'inconvénient commun de fournir un nombre relativement faible de sites de germination par unité de surface du tube. Cette limitation est imposée par l'outillage de fabrication qui est nécessaire pour fabriquer les tubes et constitue une limitation propre à tous les tubes fabriqués mécaniquement. La capacité d'échange thermique d'un tube fabriqué de fa çon à présenter une densité bien plus grande de sites de germination est décrite dans le brevet U.S. NO 3 384 154. Ce tube est du type précité dont la surface est traitée, et dans lequel des particules de poudre de cuivre sont agglomérées par frittage sur la surface du tube d'échange thermique. Ceci assure une très grande densité de sites de germination sur la surface du tube et permet la rétention de la phase vapeur sur toute la structure à pores ouverts de la surface frittée. Ce tube & surface frittée, bien qu'il constitue un tube échange thermique ayant une surface efficace d'ébullition, présente des difficultés de fabrication.La poudre de cuivre est mélangée un liant organique et est pulvérisée sur la surface du tube dans un but de facilité de manipulation. Le tube revêtu est alors soumis une haute température. Cette température décompose le liant organique et agglomère les particules de cuivre ensemble ainsi que sur le tube de support. La température de frittage est donnée comme tant d'environ 960 OC, ce qui est inférieur d'environ 100 OC au point de fusion du cuivre. Ce traitement thermique n'est pas seulement difficile à réaliser mais peut avoir pour résultat une détérioration importante des propriétés mécaniques du tube initial. Les problèmes de dégradation peuvent être réduits au minimum en utilisant des alliages dont les propriétés élevées de recristallisation et de développement du grain diminuent l'importance de la dégradation des propriétés mais ces alliages augmentent les frais et présentent une conductivité thermique plus faible. Le brevet U.S. NO 4 018 264 décrit un tube qui présente un rendement amélioré d'ébullition germinée par comparaison à un tube normal à ailettes qui est fabriqué en plaquant initialement le tube sous un courant d'intensité élevée pour former des dendrites ou des nodules espaces qui sont alors de nouveau plaqués avec des courants de densité plus basse, et qui sont déformés physiquement. L'invention a pour but de réaliser une surface perfection née d'échange thermique et de fournir un procédé de fabrication de cette surface qui produisent des sites de germination â densité très élevée à un prix relativement faible et sans affecter les propriétés du tube initial. Ces buts ainsi que d'autres sont atteints grâce au procédé suivant l'invention qui comporte le revêtement d'un tube ou d'une plaque d'échange thermique ou autre forme de surface d'échange thermique avec une mousse organique conductrice réticulée à cellules ouvertes telle que du polyuréthane revêtu de graphite. La mousse peut être sous forme d'une mince bande ou ruban qui est enroulé hélico!- dalement autour du tube initial ou encore elle peut avoir une forme tubulaire qui peut être glissée par-dessus ce tube.Le revêtement de mousse peut également être appliqué directement sur la surface du tube si son moussage est tel qu'il laisse au contact du tube initial des cellules ouvertes plutôt qu'une peau à cellules fermées. Le fait que la mousse soit à cellules ouvertes libère et facilite le passage de l'agent de refroidissement jusqu'à la surface du tube et elle résiste mieux à l'obstruction de ses sites de germination par des corps étrangers présents dans la solution de plaquage, qu'un tube à surface frittée. La mousse réticulée est un substrat sur lequel on dépose du cuivre après que la mousse ait été rendue conductrice. La phase initiale consiste à appliquer sur la mousse un revêtement de graphite qui adhère alors suffisamment pour rendre conductrice la surface de la mousse organique. On utilise alors un procédé d'électro-déposition classique de cuivre pour plaquer la mousse revêtue, et les portions de tube qui ne sont pas en contact avec la mousse, et pour augmenter l'épaisseur du plaquage de cuivre jusqu'au point où il possède une intégrité de structure. Après I'électro-déposition, le précurseur organique peut être pyrolisé si on le désire. Pour fabriquer des tubes expérimentaux on a utilisé une mousse de polyuréthane réticulée vendue sous le nom "Scott Industrial Foam" par la firme Scott Paper Company, et ayant un rapport videvolume de 97 % avec une dimension contrôlée des pores de 39 pores par centimètre linéaire. Pour réaliser les tubes expérimentaux, on a enroulé en hélice suivant la longueur du tube initial des bandes ayant une largeur d'environ 2,54 cm et une épaisseur de 1,66 mm, ces bandes étant maintenues mécaniquement en place par une bande élastique pendant les opérations d'électro-déposition.On avait préa lablement rendu la mousse conductrice en la faisant passer à travers un récipient de poudre de graphite finement divisée et en la faisant ensuite passer à travers l'intervalle de pincement des rouleaux d'un appareil à cisaillement dans lequel les vitesses superficielles différentes de rotation des galets en contact avec le produit forcent les particules de graphite en contact relativement ferme avec la structure réticulée de la mousse. Une poudre de graphite dont les particules passent au tamis ayant des mailles inférieures à 0,07 mm et vendue par la firme des Etats-Unis Joseph Dixon Crucible Co.de Jersey City, dans le New-Jersey sous la formule NO 8485 a donné satisfaction.On a alors plaqué le tube par électro-déposition dans une solution d'électro-déposition classique de sulfate de cuivre agitée avec de l'air en utilisant une électrode en cuivre et une tension de courant continu. On a continué ltélectro-déposition jusqu'a' ce qu'ait été formée une couche de cuivre suffisamment épaisse pour que la mousse présente une résistance suffisante pour permettre une manutention normale. Les conditions de dépôt étaient de 1,65 volts et de 10,0 ampères pendant 142 minutes ce qui a formé un dépôt par voie électrolytique de 24,17 grammes de cuivre pour le tube échantillon de 30,5 cm de long. La mesure de l'épaisseur du revêtement est extrêmement difficile mais l'épaisseur semble être d'environ 10,2 à 15,2 ,u. Les essais d'échange thermique d'un tube ainsi plaqué dans un agent réfrigérant R-ll ont montré une amélioration considérable des propriétés d'ébullition germinée superficielle de ce tube par comparaison avec un tube classique à ailettes. Les propriétés d'ébullition étaient également supérieures à celles d'un tube d'ébullition germinée disponible dans le commerce fabriqué par des moyens mécaniques suivant le brevet U.S. NO 3 906 604. L'observation des propriétés d'ébullition superficielle lorsqu'on les compare à une longueur de tube tel que fabriqué suivant le brevet U.S. précité NO 3 384 154 montre que la germination sur la surface de la mousse était tout à fait proche de celle produite par la surface de cuivre frittée. L'effet de pyrolyse de la mousse de polyuréthane sur la structure de surface et sur les propriétés d'ébullition a alors été déterminée. Le tube de mousse plaqué a été maintenu dans une flamme de gaz en laboratoire jusqu'à ce que la pyrolyse du substrat de po lyuréthane revêtu de graphite ait été terminée. L'examen au moyen de microscopes optiques et électroniques à balayage de la mousse cuivre restante a montré une série de très Detits pores le long des surfaces du squelette de cuivre restant après la pyrolyse du substrat. Ces pores avaient des dimensions variant avec un maximum d'environ 50 Eu dans leur plus grande dimension. Les pores étaient probablement produits par la pression des gaz engendrés pendant la pyrolyse du substrat organique qui ont brisé les minces parois plaquées qui enrobent le substrat organique. Les essais d'ébullition du tube pyrolisé dans le même agent de refroidissement R-ll ont indiqué un rendement supérieur du tube pyrolysé par comparaison au tube avant la pyrolyse. Ceci est incontestablement dû au grand nombre de très petits sites de germination de la phase vapeur qui résulte de la porosité dûe à la pyrolyse. Du fait que le polyuréthane peut être pyrolysé a des températures de l'ordre de 302 à 482 OC, il est évident que les problèmes de dégradation qui peuvent se produire à des températures plus proches du point de fusion du cuivre sont pratiquement sans conséquences. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, sur lesquels En se référant tout d'abord à la Fig. 1 on a représenté un tube 10 de préférence en cuivre. La première opération pour donner au tube 10 une surface améliorée d'ébullition germinée est représentée au dessin et comprend ltenroulement d1une mince bande de mousse de polyuréthane réticulée 12 autour du tube 10 et son ancrage sur ce dernier par exemple au moyen d'un bracelet 14 de caoutchouc. La bande 12 de mousse normalement non conductrice est de préférence préalablement revêtue de particules de graphite 18 afin que sa surface soit conductrice. Les particules 18 de graphite peuvent être appliquées sur la bande 12 de mousse d'une façon quelconque appropriée. Un exemple d'un dispositif approprié est représenté à la Fig.2 dans laquelle la bande 12 de mousse est tirée longitudinalement à travers un appareil 20 à cisaillement après que des particules de graphite 18 soient tombées sur elle à partir d'une trémie d'alimentation 24. Les particules en excès tombent à travers la bande 12 de mousse dans un réceptacle collecteur 26 d'où elles sont recyclées jusqu la trémie 24 au moyen d'une soufflante 28 et d'un tube 30. L'appareil 20 à cisaillement comprend deux rouleaux 34, 36 qui ont des diamètres identiques mais qui tournent à des vitesses différentes de façon à exercer une action de cisaillement sur la bande 12 de mousse, forçant les particules 18 à se fixer sur elles.Le rapport des vitesses de rotation superficielle du cylindre inférieur 34 le plus rapide au cylindre supérieur 36 plus lent est approximativement de 4/3. La Fig. 3 est une vue en coupe latérale d'un appareil 40 d'élec tro-dposition dans lequel le tube représenté à la Fig. 1 entouré de mousse peut recevoir un plaquage. L'appareil 40 comprend de préférence une cuve verticale 41 qui contient une solution classique 42 de plaquage de cuivre, telle qu'une solution constituée de sulfate de cuivre, d'acide sulfurique et d'eau. Le tube 10 et sa couche 12 de mousse conductrice constituent la cathode de l'appareil d'électrodéposition tandis que l'anode peut être constituée par un tube de cuivre 44 de diamètre plus grand qui entoure le tube 10 et est de préférence uniformément espacé de ce dernier. Le tube 10 est représenté comme étant monté sur un bloc 48 en matière plastique ou autre matière non conductrice.Le bloc 48 comprend de préférence des conduits internes 50 et est relié de façon étanche par rapport au tube 10 par une bague circulaire 52. Un tube 56 d'entrée d'air fixé dans un bouchon 58 qui se trouve dans l'extrémité supérieure du tube 10 permet d'envoyer de l'air en provenance d'une source appropriée jusqu'au fond du tube 10 de façon qu'il puisse traverser les conduits 50 et barboter en montant sous forme de bulles 60 à travers la solution 42 dans la région comprise entre le tube 10 et la cathode tubulaire 44. Les bulles 60 agitent la solution 42 et assurent un plaquage plus uniforme. La cathode ou élément tubulaire 10 est reliée par un con ducteur 62 et par un connecteur ou bague de serrage 64 à une batterie ou autre source appropriée 68 de courant continu. L'anode 44 est reliée par un conducteur 66 à la batterie 68. La Fig. 4 montre la phase de pyrolyse de la mousse organique après qu'elle ait été plaquée d'une surface de cuivre 72 dans l'appareil 40. L'opération de pyrolyse retire la mousse mais laisse audessous du revêtement de cuivre des espaces ouverts qui forment des pores au-dessous de la surface de cuivre 72. La Fig. 5 montre une phase préférée dans laquelle le tube pyro lysé traverse une série de filières 76 à rétreindre pour repousser la surface 72 du cuivre vers l'intérieur pour lui donner un diamètre externe 72' plus petit. La surface rétreinte assure l'avantage d'un diamètre externe plus petit de sorte que les tubes peuvent être disposés plus près les uns des autres dans un faisceau de tubes. Les Fig. 6 et 7 sont des photographies au microscope électronique à balayage grossies environ 100 fois montrant la surface d'ùn tube expérimental fabriqué dans l'appareil représenté à la Fig.3. A la Fig. 6 le tube 10 est représenté après la pyrolyse et montre la nature poreuse de la surface du revêtement 72 de cuivre. La Fig.7 montre une portion du même tube après retreinte à travers une filière 76 ayant un diamètre de 16,3 mm de la façon représentée à la Fig. 5. La surface 72' du revêtement de cuivre ainsi retreinte est comprimée de sorte que moins de pores sont visibles qu'a' la Fig.6. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour munir un élément métallique d'échange thermique d'une surface poreuse d'ébullition germinée, caractérisé en ce qu'on applique sur la surface de l'élément en métal une couche d'une mousse organique réticulée à cellules ouvertes ayant un revêtement adhérent de graphite conducteur et l'on plaque avec un métal par électro-déposition les surfaces découvertes revêtues de graphite de la mousse réticulée et les surfaces découvertes de l'élément en métal sous-jacent de façon à former une surface métallique réticulée ayant des cellules ouvertes qui recouvre la surface de l'élément métallique et adhère fermement à celle-ci 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement de graphite est appliqué sur ladite couche de mousse au moyen d'un appareil à cisaillement. 3 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit élément d'échange thermique est un tube, ladite couche de mousse revêtue de graphite étant appliquée en enroulant en hélice une bande de ladite mousse autour dudit tube. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit plaquage présente une épaisseur comprise dans une plage d'environ 10,2 à 15,2 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit élément métallique d'échange thermique est chauffé après qu'il ait été plaqué afin de pyrolyser la mousse organique. 6 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit plaquage de métal est suffisamment mince pour que des portions de ce plaquage soient fracturées par des gaz engendrés pendant la pyrolyse pour former des pores. 7 - Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit chauffage est effectué à une température inférieure à 482 OC.