Brevet FR2456928A1 — publié le 19801212

L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur permettant d'extraire la chaleur dégagée à la cristallisation d'un liquide et comprenant au moins un conduit où circule un agent caloporteur, tandis qu'au moins une partie de la paroi de ce conduit est réalisée en tant que paroi d'échange de chaleur. On sait que lorsque des cristaux apparaissent et se séparent au sein d'un liquide, c'est-à-dire lorsque ce liquide se solidifie, de la chaleur est libérée. Cette chaleur, appelée généralement chaleur de cristallisation, est en valeur absolue égale à la chaleur de fusion correspondante. Dans un liquide où il y a pas encore eu formation de cristaux, la chaleur de cristallisation est présente à l'état latent; c'est pour cette raison qu'elle est souvent appelée chaleur latente. I1 est possible d'extraire d'un liquide la chaleur de cristallisation à laide d'un échangeur de chaleur et, éventuellement après élévation à un niveau de température supérieur à l'aide d'une pompe à chaleur, de la rendre utilisable pour le chauffage ou pour des applications analogues. Un tel échangeur de chaleur ou, plus précisément, la paroi d'échange de chaleur d'un tel appareil constitue un puits de chaleur où commence la cristallisation. La surface de la paDi d'échange de chaleur offre en général suffisament de germes sur lesquels puissent croître des cristaux. Le liquide peut Autre de l'eau, laquelle se cristallise en glace par refroidissement atee dégagement de sa chaleur de cristallisation, et qui offre à ce titre une importance particulière dans la pratique. Dans l'échangeur de chaleur connu dont procède l'invention, le conduit d'agent caloporteur est un simple conduit tubulaire de section circulaire qui, ayant éventuellement reçu une forme sinueuse, est plongé à l'intérieur d'un récipient contenant le liquide. On fait circuler en tant qu'agent caloporteur dans ledit conduit de l'eau salée (saumure), éventuellement aussi un mélange eau/ alcool. Dans l'échangeur de chaleur connu, l'ensemble de la paroi du conduit d'agent caloporteur constitue une paroi d'échange de chaleur sur laquelle se forme tout d'abord irrégulièrement, à différents endroits, de la glace - lorsque le liquide est de l'eau - qui se rassemble peuàpeu.enune couche continue.Celle-ci, en s'épaississant, inflige d'importantes contraintes mécaniques au conduit d'agent caloporteur, qui doit donc être conçu aveline robustesse suffisante. La force ascensionnelle de la couche de glace qui se forme sur la paroi d'échange de chaleur du conduit d'agent caloporteur nécessite d'autre part d'ancrer solidement ledit conduit dans le fond ou sur la paroi du récipient contenant le liquide. Afin d'empocher la formation d'une couche de glace de trop grande épaisseur, on pourrait théoriquement augmenter de temps en temps la température de l'agent caloporteur circulant dans le conduit précité au delà de la température de fusion de la glace, de sorte que la couche de glace se détache de la paroi du conduit et remonte surnager à la surface du liquide. Mais on n'opère pas ainsi dans la pratique. Dune part, l'énergie nécessaire pour faire se détacher la couche de glace & la paroi du conduit a une valeur telle qu'il ne serait pas économique de procéder ainsi. D'autre part, les plaques de glace de grande surface et de contour irrégulier formeraient rapidement une couverture continue de glace. A partir de I'état de la technique mentionné ci-dessus, l'invention a pour but de créer un échangeur de chaleur permettant d'extraire la chaleur de cristallisation se dégageant d'un liquide, dans lequel la cristallisation s'effectue de manière à éliminer à coup str les fortes contraintes mécaniques s'exerçant sur l'échangeur de chaleur luî-meme et sur le récipient contenant le liquide. L'échangeur de chaleur selon l'invention qui permet d'atteindre ce but est tout d'abord caractérisé par le fait que la paroi d'échange de chaleur est partagée en zones de cristallisation et en zones d'isolation séparant les unes des autres les zones de cristallisation. Les zones de cristallisation sont des zones de faible résistance thermique entre liquide et agent caloporteur, tandis que les zones d'isolation sont des zones de grande résistance thermique entre liquide et agent caloporteur. Une faible résistance thermique entre liquide et agent caloporteur peut titre obtenue en prévoyant une faible résistance à la transmission de chaleur entre le liquide et la surface extérieure de la paroi d'échange de chialeur, et/ou en donnant à cette paroi une faible résistance à la transmission de chaleur, et/ou en prévoyant une faible résistance à la transmission de chaleur entre la surface intérieure de la paroi d'échange de chaleur et l'agent caloporteur. Des possibilités correspondantes existent pour une résistance thermique élevée. On a tout dtabord reconnu selon l'invention qu'on obtient de nombreux avantages lorsque la formation de cristaux s'effectue sur la paroi d'échange de chaleur du conduit d'agent caloporteur en des endroits choisis, savoir dans les zones de cristallisation. On a reconnu de plus qutil était avantageux que les zones individuelles de cristallisation soient séparées les unes des autres par des. zoner d'isolation, dans lesquelles ne peut apparatre pratiquement auaune cristallisation.Ainsi, dans le système eau/glace pris comme exemple, d'une part on empoche systématiquement que le conduit d'agertca'ops ur de l'échangeur de chaleur se recouvre d'une couche continue de glace, de sorte que des contraintes excessives sur l'échangeur de chaleur sont évitées, d'autre part, il ne surnage à la surface de l'eau qu'une multitude de plaquettes de glace distinctes et relativement petites, qui peuvent aisément se chevaucher les unes les autres, de sorte que des contraintes mécaniques excessives sont également systématiquement évitées sur les parois latérales du récipient contenant le liquide. I1 existe diverses possibilités pour réaliser et conformer l'échangeur de chaleur selon l'invention, qui vont Outre indiquées dans ce qui suit. Comme mentionné au début, il est nécessaire, pour la formation de cristaux dans un liquide, c'est-à- dire, dans le cas pris en exemple dans cette description, pour la formation de glace dans de l'eau, non seulement qu'un puits de chaleur existe, mais encore que sur oe puits de chaleur existent des germes en nombre sufrisant pour permettre la croissance des cristaux. Il est donc utile, dans l'échangeur de chaleur selon l'invention, que la paroi d'échange de chaleur soit faite, au moins dans les zones de cristallisation, d'un matériau favorisant la formation de cristaux, ou soit revêtue d'un tel matériau.D'autre part, on peut empocher ou contrarier la formation de cristaux dans les zones d'isolation non seulement par la présence d'une résistance thermique élevée dans ces zones, mais aussi par le fait que la paroi échange de chaleur est faite, au moins dans les zones d'isolation, d'un matériau contrariant la formation de cristaux, ou est revêtue d'un tel matériau. Dans la pratique, on réalisera en général la paroi d'échange de chaleur entièrement ei un matéiau qui soit favorise la formation de cristaux, soit la oontrarie, la paroi d'échange de chaleur étant revêtue dans les zones appropriées d'un matériau offrant respectivement la caractéristique opposée.On indique eneore, pour titre complet, que le choix du matériau de la paroi d'échange de chaleur ou de son revêtement est également décisif en ce qui concerne la valeur de la résistance à la transmission de chaleur entre la paroi d'échange de chaleur et le liquide ou l'agent caloporteur. La résistance à la transmission de chaleur de la paroi d'échange de chaleur, différant dans les zones de cristallisation d'une part et dans les zones disola- tion d'autre part, peut titre obtenue d'une manière simple en faisant en sorte que l'épaisseur de la paroi d'échange de chaleur soit plus petite dans les zones de cristallisation que dans les zones d'isolation. Les zones de cristallisation peuvent autre formées par de simples évidements pratiqués dans la paroi d'échange de chaleur. Ces évidements peuvent entre disposés aussi bien sur la face extérieure que sur h face intérieure de la paroi d'échange de chaleur.Dans ce dernier cas, on doit toutefois prendre -garde au fait que la présence d'évidements sur la face intérieure de la paroi d'échange de chaleur influe sur les conditions d'écoulement à l'intérieur du conduit d'agent caloporteur. Lorsque les zones de cristallisation sont réalisées par des évidements disposés sur la face extérieure de la paroi d'échange de chaleur, il est avantageux que ces évidements présentent une forme s'évasant vers l'extérieur. Cette conformation des évidements offre l'avantage que les plaquettes ou les petits Uocs de glace qui sty forment peuvent s'en détacher aisément. La forme géométrique des zones de cristallisation est naturellement en principe quelconque. Si l'on désire exploiter.de manière optimale la surface de la paroi d'échange de chaleur et obtenir une largeur uniforme des zones d'isolation, il est avantageux donner aux zones de cristallisation une forme rectangulaire. Si l'on désire que les plaquettes de glace apparaissant sur la paroi d'échange de chaleur puissent s'en détacher parti culibrement facilement, tout en empochant de manière cer taine la formation d'une couverture continue de glace à la surface de l'eau en toute circonstance, il est plutt avantageux de donner aux zones de cristallisation une forme circulaire. Un élargissement des zones de cristallisation peut ttre obtenu, si l'on désire, d'une manière parti culièrement élégante en prévoyant que le bord des zones de cristallisation se prolonge par une nervure complémentaire ou une conformation analogue. En particulier lorsque les zones de cristallisation sont formées par des évidements disposés sur la face extérieure de la paroi d'échange de chaleur, l'utilisation de telles nervures complémentaires est avantageuse. Lorsqu'on veut éviter de réaliser les capotés inférieurs de la paroi du conduit d'agent caloporteur en tant que paroi d'échange de chaleur, on peut, par un choix habile de la forme de la section du conduit d'échange de chaleur, maintenir à une valeur pratiquement négligeable la force ascensionnelle agissant sur ce conduit.Ce dernier peut dans un tel cas autre placé sans aucun ancrage sur le rond du recipient contenant le liquide; en cas de pose sur la paroi du récipient, l'importance de l'ancrage peut se déterminer d'après le pcSls du conduit d'agent caloporteur lui e. Une forme particulièrement avantageuse de la section droite d'un conduit d'agent caloporteur à immerger sur le fond d'un récipient de liquide s'est révéléetre une section trapézoTdale. Dans le cas d'un conduit d'agent caloporteur de section trapézotdale, la paroi peut en effet titre aisément agencée sur trois e8tds en tant que paroi d'échange de chaleur.Malgré cela, toutes lettlaquettes de glace se formant dans les zones de cristallisation conservent une libre composante ascensionnelle verticale et peuvent ainsi aller surnager sans entrave à la surface de l'eau. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment la présente invention peut titre mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement en perspective un échangeur de chaleur selon l'invention dans une première forme d'exécution, cet échangeur étant placé dans un récipient de liquide. La figure 2 représente un fragment agrandi d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans une deuxième forme d'exécution. Les figures 2a, 2b et 2c représentent l'objet de la figure 2 en coupe respectivement suivant les lignes A-A, B-B et C-C. La figure 3 représente à la manière de la figure 2, un échangeur de chaleur selon l'invention dans une troisième forme d'exécution. La figure 3a représente une coupe de l'objet de la figure 3 suivant la ligne A-A. Les figures 4, 5 et 6 représentent schématiquement en coupe transversale un échangeur de chaleur selon l'invention respectivement dans une quatrième, une cinquième et une sixième forme d'exécution. On voit sur la figure 1 un échangeur de chaleur 1, placé dans un récipient de liquide 2. L'échangeur de chaleur 1 est exclusivement disposé sur le fond du récipient 2; mais il pourrait aussi bien titre disposé sur les parois de ce récipient. L1échangeur de chaleur 1 permet extraire la chaleur dégagée à la cristallisation d'un liquide non représenté. I1 comprend deux oonduits 3 où circule un agent caloporteur 4. Une partie de la paroi 5 de chacun de ces conduits 3, savoir la partie tournée vers le haut, est réalisée en tant que paroi d'échange de chaleur 6. Comme cela ressort déjà clairement de la figure 1, la paroi d'échange de chaleur 6 est partagée en zones de eristallisation 7 et en zones d'isolation 8 séparant les unes des autres les zones de cristallisation 7. Les zones de cristallisation 7 sont des zones de faible résistance thermique situées entre le liquide se trouvant dans le récipient 2 et l'agent caloporteur 4 se trouvant dans le conduit 3, tandis que les zones d'isolation 8 sont des zones de résistance thermique relativement grande. Dans le deuxième exemple d'exécution représenté par les figures 2 à 2c, la paroi d'échange de chaleur 6 de chaque conduit 3 est faite d'un matériau favorisant la formation de cristaux, et elle est revêtue dans les zones d'isolation 8 d'un matériau contrariant la formation de cristaux Comme le montre clairement l'en- semble des figures 2a, 2b et 2c, l'épaisseur de la paroi d'échange de chaleur 6 est plus petite dans les zones de cristallisation 7 que dans les zones d'isolation 8. La résistance à la transmission de chaleur qu'offre la paroi 6 est, en raison de sa moindre épaisseur dans les zones de cristallisation 7, sensiblement plus es zones petite/que dans les zones d'isolation 8.Les zones de cristallisation 7 sont ici formées par des évidements 9 disposés sur la face intérieure de la paroi 6, c'eswà- dire celle qui est tournée vers l'agent caloporteur 4. Les évidements 9 formant les zones de cristallisation 7 sont rectangulaires. L'exemple d'exécution représenté aux figures 3 et 3a d'un échangeur de chaleur 1 se distingue de celui des figures 2 à 2e d'une part par le fait que les zones de cristallisation 7 sont circulaires, d'autre part par le fait que ces zones sont matérialisées par des évidements 9 disposés sur la face extérieure de la paroi 6 de chaque conduit d'agent caloporteur 3. Comme le montre clairement la figure 3a, les évidements 9 de la paroi d'échange de chaleur 6 sont réalisés avec une forme s'évasant vers 1 t extérieur, savoir une forme conique. Ltéchangeur de chaleur 1 selon l'exemple d'exécution représenté à la figure 4 est conçu pour outre installé en situation verticale et isolée dans un récipient 2. Les trois conduits d'agent caloporteur 3 de cet dchan- geur de chaleur 1 sont superposés verticalement. Les deux parois latérales de chacun des conduits 3 constituent des parois d'échange de chaleur 6 pourvues de zones de cristallisation 7, Ces zones sont ici encore formées par des évidements 9 qui sont disposés sur la face extérieure de chaque paroi 6 et s'évasent vers l'extérieur.La conformation des évidements 9 assure que les plaquettes de glace se formant sur les zones de cristallisation 7 orientées verticalement peuvent, après entre détachées de ces zones, aller aisément surnager à la surface du liquide (ici de i teau). Dans l'exemple d'exécution d'un échangeur de chaleur 1 représenté å la figure 5, le conduit d'agent caloporteur 3 offre une section droite sensiblement trapézotdåle. Cet échangeur de chaleur 1 est conçu pour titre installé sur le fond d'un réctient 2 et offre, en raison de la forme spéciale de la section droite du conduit 3, l'avantage que la plus grande partie de la paroi de ce conduit, savoir les deux faces latérales et la face supérieure, peut constituer une paroi d'échange de chaleur 6.A égale surface de base de l'échangeur de chaleur 1, la surface des zones de cristallisation 7 peut autre accrue de 100% et plus par rapport à celle des formes d'exécution des figures 2 à 2c et 3, 3a, sans nuire sensiblement aux conditions dans lesquelles les plaquettes de glace se formant dans les zones de cris tallisattn 7se détachent et vont surnager. La figure 6 représente enfin un autre exemple d'exécution d'un échangeur de chaleur 1; elle ne montre qu'une partie du conduit d'agent caloporteur 3 limitée à la région d'une zone de cristallisation 7. La paroi 5 du conduit 3 comprend ici, comme on peut le voir, une paroi interne 10 continue faite en un matériau facilitant la formation des cristaux et offrant une faible résistance à la transmission de chaleur, et un rev8tement 11 fait en un matériau contrariant la formation de cristaux et offrant une forte résistance à la transmission de chaleur, ce revêtement n'étant certes prévu, dans la partie de la paroi 5 réalisée sous forme de paroi d'échange de chaleur 6, que dans les zones d'isolation 8. Pour permettre la croissance d'une plaquette de glace plus grande, sur le bord circulaire des zones de cristallisation 7 est prévue une nervure complémentaire 12 de forme également circulaire, grâce à laquelle la zone de-cristallisation 7 s'élargit pratiquement dans les régions d'isolation 8 voisines. On s'est borné à indiquer la forme de la plaquette de glace 13 qui se forme dans ce css. I1 est manifeste qu'une telle plaquette de glace 13 peut facilement aller surnager à la surface de l'eau et chevaueher, en raison de sa forme particulière, les plaquettes de glace 13 voisines ou être chevauchée par celles-ci, ce qui empoche en pratique la formation d'une couverture de glace solide et continue. REVENDICATIONS 1.- Echangeur de chaleur permettant d'extraire la chaleur dégagée à la cristallisation d'un liquide et comprenant au moins un conduit ou circule un agent caloporteur, tandis qu'au moins une partie de la paroi de ce conduit est réalisée en tant que paroi d'échange de chaleur, caractérisé par le fait que la paroi d'échange de chaleur (6) est partagée en zones de cristallisation (7) et en zones d'isolation (8) séparant les unes des autres les zones de cristallisation (7). 2.- Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la paroi d'échange de chaleur (6) est faite, au moins dans les zones de cristallisation (7), d'un matériau favorisant la formation de cristaux, ou est revalue d'un tel matériau. 3. - Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la paroi d'échange de chaleur (6) est faite, au moins dans les zones d'isolation 8) > d'un matériau contrariant la formation de cristaux, ou est revêtue d'un tel matériau. 4.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la paroi d'échange de chaleur (6) est plus petite dans les zones de cristallisation (7) que dans les zones d'isolation (8). 5. - Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les zones de cristallisation (7) sont formées par des évidements (9) pratiqués dans la paroi d'échange de chaleur (6). 6.- Echangeur de chaleur selon la revendication 5, câractaisé par le fait que les évidements (9) de la paroi d'échange de chaleur (6) sont réalisés avec une forme s'évasant vers l'extérieur. 7.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les zones de cristallisation (7) sont rectangulaires. 8.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les zones de cristallisation (7) sont circulaires. 9.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le bord des zones de cristallisation (7) se prolonge par une nervure complémentaire ;2)ou une conformation analogue. 10.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que le conduit d'agent caloporteur (3) offre une section droite sensiblement trapézotdale.