Brevet FR2429988A1 — publié le 19800125

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à structure poreuse anisotrope. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un échangeur de chaleur, par exemple, entre un gaz et un liquide qui utilise pour la circulation de l'un des fluides une enceinte au moins partiellement remplie par une structure poreuse pour améliorer les échanges thermiques entre le fluide primaire chaud et le fluide secondaire à échauffer. Sur la figure 1 annexée, on a représenté en oeupe transverse rne partie d'un échangeur de chaleur à structure poreuse afin de mieux en faire comprendre le principe. On retrouve à l'intérieur d'une enceinte contentant le fluide 1 non représentée deux tubes A1 et B1 dans lesquels circule le fluide 2. Entre ces deux tubes A1 et B1, on trouve une matrice poreuse portant la référence générale C1 qui est constituée par des grains D1 d'une matière présentant un bon coefficient de oonduc- tion thermique.Le fluide 1 symbolisé par la flèche F1 traverse la matrice poreuse Cl. Un flux oolorifique, schématisé par les flèches fl, enduit la chaleur depuis les grains D1 de la structure poreuse jusqu'à la paroi des tubes A1 et B1, c'est-à-dire jusqu'au fluide 2. Cette structure poreuse granulaire est donc rigoureusement homogène et entraîne me conduction thermique identique selon toutes les directions de ltespace, c'est-à-dire une enduction thermique isotrope. Elle permet d'obtenir des diamètres hydrauliques équivalents de la surface développée de quelques millimètres à quelques dixièmes ou mêmes quelques oen- tièmes de milimètre.Cela permet d'obtenir de bons coeffi- cients d'échange pour des vitesses d'écoulement du zlu de 1 qui sont faibles par rapport aux vitesses nécessaires dals les éch:ligeurs du type classique. Cela permet ainsi de réduire la surface d'échange pour obtenir une meme puissance thermique à transférer. Ces échangeurs se caractérisent par une importante surface frontale dont la forme peut etre quelconque et de faible profondeur, oe qui permet de limiter les pertes de charge du fluide 1. On comprend toutefois que l'échange thermique entre le fluide 1 et le fluide 2 se fait Ear conduction entre les différents grains D1 de la matrice poreuse C1. Ce transfert est schématisé par les flèches f1. Lors de oe transfert par conduction, les résistances thermiques de contact, qui sont importantes, interviennent un grand nombre de fois entre le fluide 1 et le fluide 2. Cela représente donc un inconvénient certain pour le rendement du transfert thermique. On comprend que cette disposition implique que le transfert de chaleur et la perte de charge du fluide 1, lors de son écoulement dans la matrice C1, sont une fonction des dimensions des particules D1. La présente invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur à structure poreuse comportant une structure poreuse anisotrope qui permet d'améliorer très sensiblement le coefficient d'échange entre le fluide primaire et le fluide secondaire sans modifier les pertes de charge par rapport aux échangeurs à structure poreuse granulaire, du fait que la oonduction di flux thermique est orientée par la structure poreuse elle-meme. Plus précisément encore, la structure poreuse est constituée par des fi Ees réalisées en un matériau bon conducteur de la chaleur, lesdites fibres ayant toutes sensiblement la même direction entre lesdits tubes et étant en contact thermique avec ceux-ci. On oomprend que, de cette façon, le transfert de chaleur entre le fluide 1 et le fluide 2 se fait par conduction dans les fibres elles-memes. On comprend qu'ainsi la résistance thermique de contact entre le fluide et la structure poreuse n'intervient qu'une fois. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la dbscription qui suit, de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, dfijà décrite, une partie d'un échangeur à structure poreuse granulaire selon un plan de coupe transverse ; - sur la figure 2, une vue en coupe transverse d'un élément échangeur thermique selon l'invention, présentant une structure poreuse anisotrope obtenue par compactage local des fibres, et - sur la figure 3, une vue en coupe partielle d'un echangeur de chaleur à structure poreuse anisotrope dans lequel les fibres sont fixées à leur extrémité sur les tubes d' échange. Sur la figure 2, on a représenté en coupe horizontale un élément échangeur thermique selon l'invention, c'est-å-dire d'un échangeur thermique à structure poreuse anisotrope ou plus précisément orientée. On a représenté, sur cette figure, les tubes A2, B2 dans lesquels circule le fluide 2 et la matrice poreuse C2 dans laquelle sont noyés les tubes A2' B2. Cette structure poreuse est traversée par le fluide 1 symbolisé par les flèches E2. Selon Q mode de réalisation, la structure poreuse C2 est constituée par des fils ou fibres D2 réalisés en un matériau bon conducteur de la chaleur, qui peut être par exemple du cuivre.Cette matrice C est constituée par les fibres D2 qui ont toutes sensiblement la meme direction perpendiculaire à la direction commune des tubes A2 B2 I1 faut remarquer de plus qu'au droit des tubes A2 B2 la structure poreuse à fibres est écrasée (dans les régions E11 E2 pour le tube A2). On oomprend qu'il s1 établit ainsi tn pont thermique par les fibres elles-memes au niveau de la paroi des tubes.On obtient ainsi dans la matrice C une structure poreuse anisotrope qui est orientée selon la 2 direction des fibres, c'est-à-dire selon des segments joignant un tube aux tubes voisins. Les zones E1 et E2 peuvent être obtenues par exemple par compactage de deux nappes de fils C2, C2111 l'épais- seur des tubes A2 et B2 provoquant les écrasements localisés en E1 et E2 de ces nappes. il faut préciser en outre qu'il n'est pas nécessaire que les fibres D2 fassent toute la longueur de l'échangeur thermique. I1 est cependant nécessaire bien entendu que leur longueur soit au moins égale au pas P entre deux tubes consécutifs. Sur la figure 3, on a représenté un échangeur ai même type, mais dans lequel les contacts thermiques entre les fibres et les tubes A2, B2 sont obtenus par soudure des extrémités de ces fibres sur la paroi des tubes. On comprend qu'on réalise ainsi de la même façon au droit des tubes un compact thermique entre les fibres D2 et les tubes A2, B2. On ne sortirait pas de l'invention en réalisant la matrice poreuse à fibres par un tissage de ces fibres mrec les tubes A2, B2. nans Q tissage, les tubes jouent alors le rôle d'une trame. Au niveau des tubes1 on obtient également un oon- tact thermique. La liaison thermique entre les fibres et les tubes peut être également du type obtenu par fusion localisée des fibres, ce qui remplace la soudure ou le brasage. Par ailleurs, il va de soi que le transfert de chaleur peut s'effectuer du fluide 1 circulant dans la matrice de fibres vers le fluide 2 circulant dans les tubes ou réciproquement. L'échangeur oomplet peut être constitué par plusieurs nappes de fluides secondaires de rtme nature ou de nature différente. La plage d'utilisation de Q type d'échangeurs est très vaste, à condition d'adapter les fluides caloporteurs et les matériaux à la température de fonctionnement de l'échangeur. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur à structure poreuse entre un premier fluide et rn second fluide comprenant à l'intérieur d'une enceinte dans laquelle circule le premier fluide une pluralité de tubes parallèles dans lesquels circule le deuxième fluide et une structure poreuse réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur et traversée par ledit premier fluide, lesdits tubes à l'intérieur de l'enceinte étant noyés dans ladite structure, caractérisé en ce que ladite structure poreuse est anisotrope. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure poreuse est constituée par des fibres réalisées en un matériau bon conducteur de la chaleur, lesdites fibres ayant toutes sensiblement la même direction entre lesdits tubes et étant en contact thermique avec ceux-ci. 3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites fibres sont fixées à leurs extrémités sur la paroi desdits tubes. 4. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites fibres sont tissées sur lesdits tubes, lesdits tubes constituant la trame du tissage. 5. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites fibres sont compactées au droit desdits tubes. 6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1à 5, caractérisé en Q que lesdites fibres sont en cuivre.