Brevet FR2462682A1 — publié le 19810213

La présente invention concerne les conduits ou tubes de chaleur et les siphons thermiques et plus particulièrement, sans y être limité, ceux utilisés dans la récupération de chaleur perdue. Les siphons thermiques ont des rapports avec les tubes de chaleur et sont décrits dans "Heat Pipes", 2e édition, de P.D. Dunn et D.A. Reay, publié en 1978 par Pergamon Press, Oxford, Angle- terre et New York, Etats-Unis d'Amérique, auquel il y a lieu de se reporter pour plus de détails. Brièvement, les siphons thermiques sont des dispositifs pour la conduction de chaleur dans une direction sensiblement verti- cale par l'effet de la vaporisation et de la condensation subséquente d'un liquide dans un tube orienté à peu près verticalement, une ébullition du liquide ayant lieu au fond du tube et la condensation se produisant à l'extrémité supérieure du tube, d'o le condensat retourne sous l'effet de la pesanteur à l'extrémité inférieure du siphon thermique. Dans le cas d'un conduit ou tube de chaleur, le condensat est retourné par capillarité, à travers des rainures capillaires ou une mèche par exemple, de sorte qu'un tube de chaleur peut être utilisé pour conduire de la chaleur en diverses directions. L'invention apporte un conducteur de chaleur, sous forme d'un tube de chaleur ou d'un siphon thermique, dont la surface intérieure est au moins partiellement façonnée de manière à-provoquer l'évaporation en couche mince à partir d'elle ou de manière à provo- quer la condensation en couche mince sur elle. La surface intérieure façonnée peut présenter des rainures s'étendant dans le sens de la longueur du conducteur de chaleur. Il est souhaitable que les rainures soient définies entre des nervures, pouvant avoir une section droite triangulaire, semi-circulaire ou rectangulaire, ou pouvant avoir des flancs parallèles et des sommets arrondis. Le conducteur de chaleur est de préférence conformé de manière qu'il présente extérieurement deux parties longitudinales planes qui sont parallèles. Un module d'échange thermique peut Etre formé par des surfaces d'échange thermique définissant des passages parallèles et reliées thermiquement au conducteur de chaleur, les passages permettant à l'air de circuler transversalement à la longueur du conducteur de chaleur à travers eux. Le conducteur de chaleur est de préférence disposé en sandwich entre les surfaces d'échange thermique. L'invention apporte également un échangeur de chaleur formé d'un assemblage en faisceau de ces modules, dans lequel les conducteurs de chaleur sont parallèles et dans lequel les modules adjacents sont séparés par une bande d'étanchéité en élastomère disposée à peu près transversalement à la longueur des conducteurs de chaleur, de manière à diviser les modules et l'échangeur en deux parties séparées de façon étanche et entre lesquelles s'effectue un échange thermique à travers les conducteurs de chaleur. La plus grande partie de la littérature sinon toute la littérature sur les tubes de chaleur fait état d'une ébullition dans la partie chaude du tube et d'une condensation dans la partie froide. Quand le terme "évaporation" est utilisé, il est synonyme de "ébulli- tion" et est employé improprement. L'ébullition est un processus o le flux de chaleur à travers la paroi et le film de liquide sur le côté intérieur de la paroi suffit à produire une différence de température assez grande pour provoquer la nucléation et la formation de vapeur à la paroi et dans le liquide. L'évaporation est un processus o le flux de chaleur peut être transmis par conduction à travers le film de liquide, l'évaporation se produisant à la surface du film. Dans la récupération de chaleur, le facteur limiteur est la différence de température entre le courant gazeux chaud et le courant gazeux froid; souvent, cette différence ne dépasse pas 30C. Pour récupérer de la chaleur d'un courant gazeux et la transférer à un courant gazeux froid, il faut un transfert de chaleur du courant chaud à, par exemple, la surface d'ailettes d'un échangeur de chaleur - puis de cette surface par conduction A la paroi d'un tube de chaleur, à travers cette paroi, par le processus d'ébullition jusque dans le volume de vapeur intérieur du tube de chaleur, à travers le film de condensat dans l'extrémité froide du tube, par conduction à travers la paroi du tube aux ailettes de l'échangeur de chaleur dans le courant gazeux froid puis dans ce courant lui-même. La plus grande partie de la résistance au transfert de chaleur existe dans les passages entre les ailettes et les courants gazeux. Pour que l'exploitation d'un échangeur de chaleur dans de telles conditions soit économiquement avantageuse, il faut donc que les différences de température liées au transfert à l'intérieur du tube de chaleur soient vraiment minimales. Dans la partie inférieure de la plage de température des courants gazeux chauds pour lesquels une récupération de chaleur est envisagée (dans le domaine de 30 50 C), le supplément de température nécessaire pour déclencher l'ébullition est de l'ordre de 10 à 30 C, ce qui correspond à la plus grande partie de la force rDtrice disponible pour transférer de la chaleur du courant gazeux chtaud au courant gazeuz froid avec la conséquence qu'il est peu probable que le processus débullition comaence ou, s'il comence, il est probable que le coefficient de transfert soit bas. L'invention %?te es difficultés par l'utilisation d'un tube de cmhaleur ou dun sip.om thermique dans lequel le processus de condensation esC un processus en couehe mince de !usselt et o l'axtzdmit chaude du tube de chialeur ou du siphon therique est conçue pour prodire un processus d'vaporation vàritable. Dans un proceósus dvvaporaion ritable le coefficient de trans'fert thermique est inversemen poportionnel a tlépaisseur du film et il nesat pas li az différences de emprature qui existent, sauf 'dectezant pu_ les condi:tions hydrodynamiques. Par conséquent, dans le siphon thermique préféré selon l' invention, des processus en couche ince sont uti!Zisds pour aporation et pour 3la condensation, la surface itérieure façonnée du siphon thermique selon le mode de r1_alisation préféré ayant pour effet quunLte pïetite atie e cete surface inérieure est utilisée pour 3ó fa;ors2er 1 couleomnt en fi:et-s oe la plus grande partie du condensat, de Mainre q'Lu grane de patie sitno la plus grande partie de la surfcace ntriere ree cou s pa; r un 2mince fili de condensat ce qui amliore le co e fic ient de transfert thermique. La surface întérA.ure façonnée d'un siphon thermique selnc l'invention d'!ffhre totulLeme: des rainures capillaires d un tube ou conduit dE chaleuor nmventionns puisque les rainures capillaires de ce dernier produisent le retour du condensat sous l'effet de la tension superficielle agissant dans la direction d'écoulement, tandis que l'invention utilise des effets de tension de surface transversaux à la direction d'écoulement pour tirer le condensat dans des zones o se forment des filets, tout en laissant un mince film de condensat entre les filets. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - - la figure 1 est une vue en perspective d'un module à siphon thermique selon l'invention; - la figure-la est une vue en perspective d'un module à siphon thermique selon une variante de celui représenté sur la figure 1; - la figure 2 est une vue en perspective partielle prise dans le sens de la flèche 'A' de la figure 1; - la figure 2a est une vue en perspective partielle prise dans la direction de la flèche 'A' de la figure la; - la figure 3 est une coupe transversale, prise suivant la ligne III-III de la figure l,mais à plus grande échelle, montrant essentiellement la partie centrale du module, c'est-à-dire le siphon thermique; - les figures 3a à 3d sont des coupes transversales correspondant à des parties de la coupe de la figure 3, mais à plus grande échelle, montrant des variantes de réalisation des rainures et des nervures; - la figure 3e montre une variante par rapport à la figure 3; la figure 4 est une vue en plan d'un échangeur de chaleur formé par l'assemblage d'un certain nombre de modules à siphon thermique comme celui de la figure 1; - la figure 5 est une vue en élévation prise dans le sens de la flèche 'A' de la figure 4; - la figure 6 est une coupe partielle prise suivant la ligne VI-VI de la figure 5; et - la figure 7 est une coupe axiale d'un siphon thermique selon l'invention. Dans les figures énumérées ci-dessus, des parties analogues portent les mêmes références. Les figures 1 et 2 représentent un module à siphon thermique 10 qui est constitué d'un siphon thermique 11 et d'éléments d'échange thermique 12, 13 qui sont chacun soudés à l'une des deux parois planes parallèles 14, 15 du siphon thermique 11, les intervalles formés entre les éléments 12, 13 en dehors du siphon 11 étant fermés, de part et d'autre du siphon, par un profilé en U 16 dont le côté extérieur est aligné avec celui des éléments d'échange thermique 12, 13. Chacun de ces derniers est formé de trois couches d'ailettes de cuivre 19 formées chacune par le plissage d'une tôle; les couches d'ailettes 19 sont chacune situées entre deux plaques intercalaires en cuivre et toutes les couches sont orientées de manière à permettre l'écoulement d'air à travers elles dans une direction perpendiculaire à la longueur du siphon thermique 11. Un tube de remplissage 21 pour un liquide (non représenté) s'étend d'un couvercle supérieur 22 du siphon 11, tandis qu'un couvercle inférieur 23 ferme l'extrémité inférieure du siphon. Comme on peut le voir sur la figure 3, la surface intérieure du siphon thermique Il est façonnée en ce sens que ses parois planes 14, présentent un grand nombre de rainures longitudinales 25 définies par des nervures parallèles 26 de section droite triangulaire, ayant chacune un angle au sommet d'environ 450 et définissant entre elles des parties planes ou fonds de rainures 27. Les figures 4 à 6 représentent un échangeur de chaleur qui est formé par l'assemblage en faisceau d'un certain nombre de modules 10 dans un caisson métallique 28, de manière que les siphons thermiques 11 soient orientés verticalement. Le caisson 28 définit un conduit 34 de section droite à peu près carré et il présente à chaque extrémité, à mi-hauteur, un rebord 35 qui est soudé sur une plaque de support 36 fixée elle-même par des vis (non représentées) sur un cadre 38 à chaque extrémité du caisson 28. Chaque module 10 est entouré à peu près à mi-hauteur d'une bande d'étanchéité 31 (voir figure 6) adhésive à base de caoutchouc, tel que le caoutchouc silicone commercialisé par Dow Corning sous la désignation "1SILASTIC" 732 RTV, qui est appliquée contre les modules 10 voisins et contre le côté intérieur du caisson 28 et des rebords 35, ce qui partage les modules 10 dans le conduit 34 en une partie supérieure 32 et une partie inférieure 33 qui sont séparées de façon étanche l'une de l'autre par les bandes d'étanchéité 31. Le siphon thermique 11 de chaque module 10 s'emboîte par son extrémité inférieure dans une ouverture 37 correspondante (voir figure 5) de la base du conduit 34, tandis que son extrémité supérieure fait saillie à travers une ouver- ture 39 dans le dessus du conduit 34, les siphons 11 étant étanchés par rapport au caisson 28 par du caoutchouc silicone "SILASTIC" 732 RTV (non représenté). Les extrémités inférieures des siphons thermiques Il sont protégées par un fond 41 et un couvercle 42 amovible fixé par des boulons 43 au caisson 28 protège les extrémités supérieures des siphons thermiques 11. Un oeil de levage 29 sur chaque côté du caisson 28 facilite la manutention de l'échangeur de chaleur 30. Pendant le fonctionnement, l'échangeur de chaleur 30 étant installé dans une canalisation (non représentée) de récupéra- tion de chaleur de manière qu'il soit traversé à contre-courant comme indiqué par les flèches sur la figure 5, des gaz d'échappement chauds traversent la partie inférieure 33 du conduit 34, sous les rebords 35, et transfèrent de la chaleur aux ailettes plissées 19 dans cette partie inférieure 33, d'o la chaleur est conduite par les siphons thermiques 11 à la partie supérieure 32 du conduit 34, au-dessus des rebords 35, o la chaleur est transférée aux ailettes plissées 19 de la partie supérieure 32, donc à l'air froid entrant qui traverse la partie supérieure de l'échangeur à contre-courant par rapport aux gaz d'échappement chauds qui passent par sa partie inférieure. A l'intérieur même de chaque siphon thermique 11, il se produit une conduction de chaleur par l'absorption de chaleur à l'extrémité inférieure du siphon thermique pendant l'évaporation de liquide dans cette extrémité inférieure et par la désorption de chaleur à l'extrémité supérieure du siphon pendant que la vapeur se condense à cette extrémité supérieure. La majeure partie du condensat formé à l'extrémité supérieure du siphon thermique 11 est tirée sous l'effet de la tension superficielle dans les angles des rainures 25, o le condensat se rassemble en filets, de sorte qu'il reste un mince film de liquide sur les fonds de rainure 27, o le film mince s'évapore sans ébullition germinée pendant son écoulement vers le bas & travers la portion extrême inférieure du siphon thermique 11. Les nervures 26 sur la surface intérieure du siphon thermique 11 peuvent être choisies en fonction d'une application particulière; par exemple, si le siphon doit être utilisé avec de l'eau comme liquide, les nervures 26 peuvent avoir une hauteur d'environ 0,5 mm et un écartement d'environ 1, 51 mm, de manière que les nervures voisines définissent entre elles un fond de rainure plat 27 d'une largeur d'environ 1,]1 mm. Les nervures 26 peuvent également avoir la moitié de l'écartement et la moitié de la hauteur indiquées ci-dessus. Le nombre de couches d'ailettes 19 utilisé dans les éléments d'échange thermique 12, 13 est choisi en fonction de l'appli- cation; il est notamment possible de choisir deux couches, comme représenté pour le module à siphon thermique lOa des figures la et 2a, lequel siphon peut par ailleurs être utilisé avec des modules semblables pour la réalisation d'un échangeur de chaleur comme décrit relativement aux figures 4 à 6. Bien que les nervures 26 dont il a été question jusqu'ici soient de section triangulaire, d'autres formes de section sont utilisables également, comme le montrent les différents exemples des figures 3a, 3b, 3c et 3dM représentant chacune une partie de la surface intérieure d'un siphon thermique 11. La figure 3a montre des nervures rectangulaires, définissant entre elles des fonds de rainure 46; dans un exemple d'application, ces nervures pourraient avoir une largeur d'environ 0,35 mm, une hauteur de 0,5 mm et un écartement tel qu'elles définissent entre elles des fonds de rainure 46 d'une largeur d'environ 1,14 mm. Afin d'atténuer ou d'éviter les difficultés de fabrication des rainures rectangulaires de la figure 3a, leurs sommets pourraient être arrondis, comme représenté sur la figure 3b. La figure 3c montre des nervures 47a semi-circulaires, reliées entre elles par des rainures 47b qui sont également semi- circulaires en section droite; les nervures 47a et les rainures 47b pourraient avoir un rayon d'environ 0,25 mm. La figure 3d représente des nervures 48 triangulaires qui possèdent chacune un angle de sommet de 900, le sommet étant arrondi, et qui sont reliées entre elles par des rainures 49 qui sont également arrondies; les nervures 48 pourraient avoir une hauteur d'environ 0,5 mm et le rayon de courbure du sommet des nervures 48 et du fond des rainures 49 pourrait etre d'environ 0 1 à 0,15 mm. Si désiré, les nervures peuvent s'étendre aussi le long des extrémités courbes du siphon thermique 11, comme représenté sur lafiuoe 3e, bien que la disposition selon la figure 3 soit plus facile à réali- ser et qu'elle n'entraîne pas une grande perte de pouvoir de conduction de chaleur comparativement au siphon thermique 11 de la figure 3e. - Un siphon thermique 11 selon l'invention peut etre fabriqué en cuivre de la manière suivante: Un tube ovale en cuivre dont la lumière est légèrement plus grande que celle du siphon thermique 11 désiré est façonné par un procédé conventionnel d'étirage sur mandrin, consistant à tirer le tube à travers une matrice (non représentée) ou entre des galets façonnés (non représentés) et sur un mandrin (non représenté) dont le profil reproduit la surface intérieure que doit avoir le siphon thermique 11 et qui est maintenu dans la matrice ou entre les galets, la surface intérieure correspondant par exemple à celle représentée en partie sur la figure 3c ou 3d. La figure 7 représente un siphon thermique 11 qui est formé essentiellement d'un tube de cuivre 50 qui a été.étiré sur mandrin de la façon décrite ci-dessus et présente donc la forme extérieure et intérieure désirée; ce tube est-fermé en bas par un couvercle inférieur 53 en cuivre et en haut par un couvercle supé- rieur 52 qui est également en cuivre et d'o dépasse un tube de cuivre 51. Les deux couvercles 52, 53 sont brasés sur le tube 50, tandis que le tube 51 est soudé sur son pourtour au couvercle supérieur 52 par un soudage au tungstène sous gaz inerte. Un vide -3 d'environ 10 torr est ensuite établi dans le tube 50 puis de l'eau distillée triplement dégazée est injectée à travers le tube 51 dans le tube 50, de manière à occuper environ 10% du volume intérieur du tube 50. Un premier sertissage 55 formant une soudure froide est ensuite effectué dans le tube 51, suivi par un second sertissage de soudure froide 56, la partie excédentaire du tube 51 (désignée par la ligne en traits mixtes en haut) étant enlevée juste au-dessus du second sertissage 56, lequel est ensuite fermé de façon étanche par un soudage au tungstène sous gaz inerte. Les caractéristiques d'un exemple d'un tel siphon thermique 11 en cuivre sont comme suit: longueur nervures intérieures aire de surface intérieure efficace (sans tenir compte de l'aire de surface projetée des nervures) température du siphon thermique température de la vapeur dans le siphon thermique taux de transfert de chaleur par heure 1 mètre nervures triangulaires comme représenté figure 3d 0,114 m2 extrémité chaude 87,090C 81,050C extrémité froide 79,75-C ,16-C 2,81 kW Un échangeur de chaleur comprenant quarante-huit modules 10, possédant chacun un siphon thermique 11 comme indiqué ci-dessus de 1 mètre de long, dans une disposition à douze modules de large x quatre modules de haut, a été essayé dans les conditions et avec les résultats suivants: débit d'air (échappement chaud) débit d'air (admission froide) 1,47 kg/s 1,19 kg/s Températures flux d'échappement chaud entrant: 80'C (corps sec)/370C (corps hmide) flux d'échappement sortant: 570C (corps sec)/330C ( " i") flux d'admission entrant: 220C flux d'admission sortant: 540C Afin d'éviter ou tout au moins de réduire l'accumulation de poussière sur les ailettes 19 des modules 10, des filtres conven- tionnels (non représentés) peuvent etre prévus pour l'air d'échappe- ment chaud et l'air d'admission froid entrant dans l'échangeur. !O Bien que l'invention ait été décrite relativement à un siphon thermique ayant des côtés parallèles, l'invention est applicable également à un siphon thermique ayant une forme diffé- rente en section droite, une forme ronde par exemple, et d'autres moyens peuvent être prévus pour le transfert de la chaleur vers le siphon thermique et depuis celui-ci. De plus, plusieurs siphons thermiques Il peuvent être réunis en un seul module 10 si cela est désiré pour une application particulière; le siphon thermique 11 selon l'invention peut également être utilisé dans d'autres dispo- sitifs de transfert de chaleur ou Étre fabriqué d'un autre matériau, d'aluminium par exemple. Il est en principe possible aussi d'appliquer l'invention à un tube de chaleur possédant une mèche capillaire pour le retour du condensat par l'agencement de sa partie d'ébullition en vue de produire une évaporation en couche mince du condensat. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Conducteur de chaleur tubulaire, sous forme d'un conduit ou tube de chaleur ou sous forme d'un siphon thermique, caractérisé en ce qu'une partie (14, 15) au moins de sa surface intérieure est façonnée (26, 45, 47a, 48) de manière à provoquer l'évaporation en couche mince à partir d'elle. 2. Conducteur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface intérieure façonnée présente des rainures (25) s'étendant dans le sens de la longueur du conducteur. 3. Conducteur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rainures (25) sont définies par des nervures (26â 45, 47a, 48) de section droite de forme triangulaire, rectangu- laire ou semi-circulaire. 4. Conducteur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les nervures (45, 47a, 48) ont des sommets arrondis et/ou des rainures arrondies entre les nervures voisines (47a, 48). 5. Conducteur de chaleur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il possède deux parties extérieures planes (14, 15) qui sont parallèles, la surface intérieure façonnée (26, 45, 47a, 48) étant prévue sur le côté intérieur de chacune de ces parties planes (14, 15). 6. Module d'échange thermique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un conducteur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, ainsi que des surfaces de transfert de chaleur (19) reliées thermiquement au conducteur de chaleur (11) et conformées de manière à définir des passages pour l'écoulement d'air transversalement au sens de la longueur du conducteur de chaleur (11). 7. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il est formé d'un assemblage en faisceau de modules selon la revendication 6, dans lequel les conducteurs de chaleur (11) des modules sont sensiblement parallèles et des modules (10) adjacents sont entourée d'une bande d'étanchéité (31) en élastomère, de manière à diviser l'échangeur (30) en deux parties (32, 33) séparées de façon étanche et capables d'échanges thermiques entre elles à travers leurs conducteurs de chaleur (11).