Brevet FR2465180A1 — publié le 19810320

1. L'invention se rapporte à une surface d'ébul- lition d'échangeur de chaleur, se composant d'un substrat métallique sur lequel est déposée une couche métallique. Un procédé bien connu destiné à améliorer la transmission de chaleur de la surface chauffée d'un échan- geur au liquide en ébullition consiste à conférer une struc- ture correspondante à cette surface. Un procédé connu consiste à déposer sur la sur- face lisse de métal une couche métallique poreuse contenant des canaux capillaires dont l'orifice de sortie se trouve à la surface de la couche et qui constituent des points de germination donnant naissance à des bulles de gaz. Ces cou- ches sont formées de corps individuels reliés aux surfaces de contact de manière que la couche contienne des cavités reliées en étant réparties statistiquement, la structure capillaire ainsi formée contenant de nombreux canaux cor- respondants qui sont ouverts sur la surface. Les nombreux corps individuels nécessaires à donner la structure capillaire à la couche d'ébullition ne sont reliés qu'aux surfaces de contact et donc le trans- port de chaleur ne peut avoir lieu à l'intérieur de la couche que par les ponts thermiques formés par les points de contact et il est en conséquence notablement entravé.Il en ré- sulte une inertie thermique qui empêche la transmission de chaleur lors de l'ébullition. Par ailleurs, la structure capillaire fine de la couche est très sensible aux impuretés lors de sa réa- lisation ou de son traitement ainsi qu'aux impuretés du liquide en ébullition lors de son utilisation. Ces couches peuvent être réalisées par exemple par des procédés coûteux de brasage ou de frittage tels que décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n03 384 154. Des additifs métalliques ou des adjuvants organiques utili- sés dans ce procédé demeurent partiellement dans la couche. Les additifs métalliques forment en majeure partie des combinaisons avec le matériau des différents corps de la couche et celui du substrat ou forment aussi en partie des résidus métalliques purs et donc la couche 2. est constituée de matériaux multiples et de leurs combinai- sons. Les adjuvants organiques nécessaires au fritta- ge demeurent aussi sous forme de résidus en petites quan- tités dans la couche. Un domaine important d'utilisation des échan- geurs de chaleur, dont les couches d'ébullition sont réa- lisées de la manière décrite, est celui des évaporateurs de liquides organiques servant de fluides de travail -pour des processus cycliques. Ces fluides de travail utilisés sur de longues périodes sont extrêmement sensibles au con- tact avec des substances étrangères organiques et même mé- talliques. Les fluides de travail utilisés fréquemment dans les pompes de chaleur et les installations frigorifiques sont des hydrocarbures chlorés et fluorés auxquels sont mélangés de faibles quantités d'huile de lubrification des machines frigorifiques. Les substances étrangères or- ganiques encore présentes dans la couche d'ébullition for- ment fréquemment des composés chimiques nuisibles avec le mélange de fluide de travail et d'huile de lubrification etpar ailleurs,les substances étrangères métalliques peu- vent provoquer une décomposition du fluide de travail. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n03 990 862 décrit une autre possibilité de réalisation de structures capillaires dans des couches d'ébullition. D'après ce pro- cédé, des particules métalliquessontpulvérisées par un pro- cédé spécial de projection à la flamme sur un substrat de manière à former une couche d'ébullition se composant de nombreuses particules métalliques dont la majeure partie est déformée et qui a la structure capillaire recherchée. Une particularité essentielle de ce procédé consiste en l'oxydation partielle des particules métalliques dans une flamme produite avec excès d'oxygène. Pour garantir cette oxydation, il faut utiliser des métaux qui forment en peu de temps une importante peau oxydée dont le point de fu- sion diffère notablement de celui de la matière première. Le cuivre est par exemple un métal de ce type. Les oxydes métalliques sont destinés à conférer la résistance mécanique 3. nécessaire à la couche d'ébullition ayant cette structure capillaire particulière. Mais ils reoJsencenc des co-posés chimiques qui peuvent provoquer la décomposition du fluide de travail, comme décrit plus haut. L'invention a pour objet une surface d'ébul- lition d'échangeur qui garantit une très bonne transmis- sion de chaleur de la surface d'ébullition au liquide cor- respondant, qui ne contient aucune impureté nuisible et qui a une faible inertie thermique. Selon une particularité essentielle de l'in- vention, la couche se compose de corps individuels métal- liques de différentes formes qui sont en partie contigus et la couche est pratiquement exempte de canaux capillai- res la traversant et de pores fermés, la profondeur des espaces subsistant entre les corps individuels et ouverts sur la surface d'ébullition représentant en moyenne plus de 40 % de l'épaisseur de la couche, cette épaisseur me- surée sur le relief maximal étant comprise entre 30 et 300 nm. Un procédé avantageux de réalisation de la couche métallique consiste à déposer les particules for- mant lés corps individuels sur le substrat par le procédé connu de projection de poudre à la flamme suivant lequel un courant gazeux accéléré,qui est chauffé par combustion de deux gaz, dont la température est abaissée par un gaz de refroidissement et dont le bilan massique de tous les courants partiels qui le produisent cosmprend le gaz -de combustion et l'oxygène en rapport stoechiométrique, forme un jet des particules de la poudre de métal qui sont chauffées par le courant gazeux, dont la surface est ramol- lie et qui sont transportées vers le substrat. La couche de l'invention consiste donc en une unique matière et donc l'influence néfaste de substances étrangères sur les structures capillaires connues est éli- minée. La structure de la couche consistant en de multiples corps individuels de formes différentes en aug- mente la surface au voisinage de la couche limite du liquide 4. en ébullition. Ainsi, un grand volume de liquide peut être échauffé en peu de temps au voisinage de la couche limite. Les bulles de vapeur dégagées évacuent donc de la surface d'ébullition de grandes quantités de liquide de la couche limite, ce facteur garantissant une très bonne transmis- sion de chaleur de la surface d'ébullition au liquide cor- respondant. De nombreuses rainures, contre-dépouilles et géométries analogues qui sont produites aux jonctions des îI corps individuels constituent des points de germination de bulles. Ce facteur garantit le dégagement intense de bul- les qui est nécessaire à l'évacuation du liquide chauffé de la couche limite. Le phénomène d'ébullition va être rappelé ci- dessous pour bien faire comprendre les fondements et le déroulement du processus auquel se rapporte l'invention. L'ébullition sur les surfaces se déroule sui- vant des lois telles que décrites, par exemple dans une dissertation de la.revue D.K.V. n0 18, de 1964, ayant pour titre "Beitrag zur Thermodynamik des WârmeUberganges bein Siedenl' (contribution à la thermodynamique de la transmis- sion de chaleur lors de l'ébullition) et publiée par K. Stephan, lois suivant lesquelles des petites bulles de va- peur dégagées aux points de germination qui sont répartis statistiquement à la surface croissent jusqu'à ce qu'elles at- teignent leur diamètre de détachement, puis décollent de la surface et montent dans le liquide en ébullition. D'autres bulles de vapeur se dégagent et le processus se répète à la vitesse dite fréquence de formation des bulles. Comme l'ont montré, par exemple, von Han et Griffith dans l'ar- ticle intitulé "The Mechanism of Heat Transfer in Nucleate Pool Boiling" (le mécanisme de transfert de chaleur par ébullition avec dégagement de bulles en réservoir) publié dans la revue Int. J. Heat Mass Transfer, volume 8, 1965, pages 887 à 914 ainsi que par von Beer et Durst dans l'ar- ticle intitulé "Mechanismen der WârmeUbertragung beim Blasensieden und ihre Simulation" (mécanismes de la trans- 5. mission de chaleur lors de l'ébullition avec dégagement de bulles et leur simulation) et publié dans la revue Chemie Ing. Tech. n0 40 (1968), fascicule 13, pages 632 à 638, le temps désigné par le concept de "fréquence de dégage- ment des bulles" se décompose en deux, à savoir le temps d'attente et le temps proprement dit de dégagement des bulles, le temps d'attente pouvant représenter 60 à 80 % du temps total. Pendant le temps d'attente, la couche li- mite du liquide adhérant à la surface d'ébullition est chauffée par conduction thermique. Après établissement d'un certain profil de température dans cette couche limi- te, la bulle de vapeur commence d'apparaître, elle croît jusqu'au moment auquel elle atteint le diamètre de déta- chement, puis elle décolle de la surface d'ébullition. Lors de ce décollement, la bulle de vapeur évacue de la surface d'ébullition la couche limite de liquide réchauffée qui 1 'entoure par le phénomène dit de "convexion des masses" ou par leur "courant de dérive ou de déplacement" qu'elles amorcent. La sphère d'influence du courant de déplacement sur la couche limite correspond approximativement au dia- mètre de détachement des bulles. A la fin de la convexion des masses dans la couche limite, du "liquide froid" se dirige sur la surface d'ébullition sur laquelle il est à nouveau échauffé. La chaleur est donc évacuée de la sur- face d'ébullition en majeure partie par conduction thermi- que instationnaire. Les relations suivantes données en conclusion dans les publications mentionnées ci-dessus peuvent être utili- sées pour l'évaluation des grandeurs. Le diamètre de déta- chement des bulles est le suivant dA = 0,0146. O l 2. (v' -v" A. (y" - VI) La fréquence des bulles peut se déterminer par approximation à l'aide de la relation suivante f.dA 1/2= 1,75 6. L'épaisseur de la couche limite après détache- ment des bulles est égale à: 6 = a-ir- a( Cw g (m/s) dA (m) P (o) e (N/m) v' (m3/kg) v" (m3/kg) f (1/s) a (m2/s) twz (s) Vra (sm) S A (m) ±u /.) y-,/. Dans ces relations: : accélération terrestre : diamètre de détachement des bulles : anqle de mouillage de la bulle de vapeur adhérente : tension superficielle du liquide en ébulli- tion : volume spécifique du liquide : volume spécifique de la vapeur dégagée : fréquence des bulles : coefficient de conductibilité thermique du liquide : temps d'attente : temps de croissance des bulles : épaisseur de la couche limite lors du décol- lement Le tableau I reporté en fin de description du présent mémoire donne les valeurs calculées de quelques liquides en ébullition utilisés classiquement en technique du froid et les plages usuelles des températures d'ébul- lition. Les processus physiques qui ont été décrits et se produisant lors d'une ébullition ont conduit à la con- clusion sur laquelle se fonde l'invention et selon laquel- le il est possible d'améliorer la transmission de chaleur en augmentant considérablement la surface d'ébullition dans la sphère d'influence de la couche limite et des bulles. Il est possible ainsi d'abréger notablement le temps d'apparition du profil de température de la couche limite, c'est-à-dire le temps d'attente, et de plus d'aug- menter considérablement le volume du liquide de la couche limite qu'une bulle enlève de la surface d'ébullition. Il a été découvert conformément à l'invention que pour améliorer la transmission de chaleur, il faut que 7. la hauteur totale de la structure destinée à augmenter la surface, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche mesurée sur le relief le plus élevé,soit du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la couche limite, mais -il ne faut pas qu'elle dépasse le quintuple de cette épaisseur. L'inventiona être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement li- mitatif et sur lesquels: - la figure 1 est un graphique donnant l'aug- mentation de surface de la structure qu'il est possible d'obtenir en fonction des différentes formes des corps in- dividuels - la figure 2 est une coupe longitudinale par- tielle schématique de la couche métallique; - les figures 3 et 4 sont des prises de vues photographiques effectuées au microscope électronique à balayage de surface et représentent des structures de sur- face à l'échelle 100:1 et à l'échelle 500:1. - la figure 5 est un schéma simplifié d'un dis- positif de projection à la flamme destiné à la réalisation d'une couche métallique et représente ce dispositif en ser- vice; et - la figure 6 est un graphique représentant les courbes de mesure des puissances calorifiques transmises en fonction des élévations de température. Un calcul a été effectué pour des corps indi- viduels de géométrie simple, par exemple des parallélépi- pèdes, des cylindres, pyramides et analogues, pour évaluer les possibilités d'augmentation de surface F/IF vis-à-vis d'une surface lisse F par structuration fine de la surface obtenue conformément à l'invention. Il a été admis pour effectuer ce calcul que les corps individuels forment une structure dense sur un substrat lisse, le rapport V de la plus courte distance entre corps individuels voisins et le bord des arêtes ou le diamètre de leur surface de base étant très faible, c'est-à-dire V La figure 1 représente les augmentations de surface obtenues F/F0 en fonction du rapport V pour diffé- 8. rentes géométrieso La courbe - se rapponrte _ des narallê- lé-ipèdes dont le rapport de hauteur H au bord des arêtes s est h/s = 1; la courbe II se rapporte à- des cylindres dont le rapport de hauteur h au diamètre d es: /d= i; a courbe III se rapporte à des cônes à angle au sommet t= 30 ; la courbe IV se rapporte à des pyramides angle au sommet l:= 45 ; la courbe V se rapporte à des cônes à angle au sommetr= 45 , et la courbe IV se rappor- te à des hémisphères. Os La figure I montre qu'il est possible d'obtenir des augmentations considérables de surface qui sont fonc- tion de la hauteur absolue des corps individuels. La super- position de corps de formes différentes à l'intérieur de la couche déposée sur le substrat permet d'augmenter encore notablement la surface. La figure 2 est une coupe longitudinale schéma- tique d'une couche déposée sur une cloison métallique 1. Les corps individuels ont des formes différentes qui leur sont conférées essentiellement lors de la réalisation de la couche de manière qui sera décrite plus en détail par la suite. D'après la figure 2, la couche est formée de corps individuels 4 et 5 approximativementsphéroidaux et plus fortement aplatis. Une partie des corps adhère à la cloison 1 et les corps voisins adhèrent les uns aux autres le long de leurs surfaces de contact 2 et 3 et d'autres surfaces de contact 6 sont produites par des encastrements. La couche solide ainsi formée a un excellent coefficient de transmission de chaleur. La transition de la surface d'un corps à celle du corps voisin est dans de nombreux cas en forme de rainures 7. La diversité de forme des corps confère une structure extrêmement hétérogène à la couche 11, des trous 8 situés entre les différents corps et attei- gnant le substrat, des cratères 9, des interstices allongés et d'autres formes pouvant se produire et constituant d'excellents points de germination de bulles en garantis- sant ainsi que les bulles de vapeur couvrent au moins tota- lement la surface d'ébullition, même lorsque l'élévation de 9. température T-Ts de la surface d'ébullition est très fai- ble par rapport à la température de saturation T du li- s quide en ébullition. L'épaisseur de la couche est mesurée entre le relief le plus élevé et la surface de la cloison qui cède la chaleur et, conformément à l'invention, elle est comprise entre 30 et 300 gm. Des espaces ouverts subsis- tant- entre les corps de la couche et sur la hauteur dé- terminée par ceux-ci ont une profondeur qui peut être com- prise entre quelques pourcents et la totalité de l'épais- seur de la couche, mais qui correspond en moyenne à plus de 40 % de cette épaisseur. Les prises de vue des figures 3 et 4 sur lesquelles les références sont les mêmes que celles utilisées pour la figure 2 font apparaître la struc- ture de surface obtenue par le procédé de l'invention. La structure de la couche métallique conforme à l'invention permet d'augmenter considérablement la sur- face par rapport à celle du substrat, par exemple dans un rapport pouvant être compris entre 2 et 10. Un procédé avantageux de réalisation de la cou- che consiste en une modification du procédé connu de pro- jection de poudre à la flamme, les particules métalliques de la matière première étant projetées à l'état ramolli ou pâteux sur le substrat. Les particules métalliques peuvent avoir différentes formes géométriques avant-d'être projetées. Les formes utilisées peuvent être par exemple celles de sphères, de cubes, de corps prismatiques, de polyèdres,. de dendrites ou peuvent aussi être irrégulières. Ces particules métalliques sont entraînées dans un courant ga- zeux chaud dans lequel elles sont réparties uniformément. Le courant gazeux constitue d'une part un vecteur des par- ticules métalliques vers le substrat et d'autre part une source de chaleur destinée à échauffer les particules mé- talliques. Ces particules sont échauffées à partir de leur surface et la température ainsi que la vitesse du courant gazeux et, de plus, la longueur de la trajectoire des par- ticules permettent de faire varier de manière connue le 1.0. temps passé par ces particules dans le courant gazeux et donc leur échauffement ainsi que leur ramollissement. Les particules métalliques se déforment en fonction de leur ramollissement et de leur vitesse d'impact sur le substrat et elles s'encastrent sur ce dernier et à leurs points de contact mutuel en s'enserrant mutuellement ou en se soudant de la manière représentée en particulier sur les figures 2 à 4. Les cotes des corps formant la couche peuvent être déterminées par choix convenable des cotes des particules métalliques de telle manière qu'elles correspondent à l'or- dre de grandeur de l'épaisseur de la couche limite dont les valeurs sont indiquées sur le tableau I. La matière première utilisée est avantageusement formée de particules métalliques de forme sphérique dont les diamètres d sont compris entre 30 et 150 lim. La figure 5 représente schématiquement un dis- positif 20 pour la mise en oeuvre du procédé modifié de projection de poudre à la flamme. Le gaz combustible et l'oxygène pénètrent dans le dispositif par des admissions 21 et 22. Le mélange pas- se par un ajutage annulaire 23, puis brûle dans la flamme. Les gaz chauds de la flamme sont mélangés avec un gaz de refroidissement arrivant dans le dispositif par une admis- sion 24 et insufflé dans la flamme par un ajutage annulai- re extérieur 25, les gaz de la flamme étant ainsi refroi- dis. Une partie du gaz de refroidissement assume également la fonction de vecteur de la poudre métallique introduite dans le dispositif par une admission 26. La poudre se ré- partit dans le courant gazeux en fonction des conditions de la circulation de ce gaz et elle est transportée sur une cloison 27 constituant le substrat qu'elle atteint sur une surface pratiquement circulaire qui représente l'aire de projection. Cette aire est déplacée à la surface du substrat de manière à former le dépôt d'une couche plane. La vitesse relative du substrat perpendiculairement au jet représente une grandeur d'influence sur la qualité de la couche. Lorsque la vitesse relative est trop faible, le temps pendant lequel la couche déposée passe dans le Jet est trop long et les particules métalliques fondent en formant une couche relativement homogène dont les corps n'ont pas de forme et dont les points de germination de bulles ne sont pas en nombre suffisamment grand. Lors du dépôt de la couche, une certaine relation lie la vitesse relative, l'épaisseur de la couche et le débit de poudre par l'ajutage de projection. Par ailleurs, les courants gazeux en amont de l'ajutage de projection et la distance entre ajutace et substrat, qui détermine avec le courant gazeux en aval de l'ajutage le temps que les particules métalliques passent dans ce courant gazeux, comme mention- né précédemment, sont essentiels pour la qualité de la couche. La couche que l'on tente d'obtenir devant être pu- rement métallique, il est nécessaire que tous les gaz pas- sant par l'ajutage de projection donnent ensemble un bilan stoechiométrique entre le gaz de combustion et l'oxygène. Cette façon de procéder est la seule qui permet d'éviter de manière fiable les oxydations et autres modifications chimiques des particules métalliques. Le gaz de combustible utilisé peut être par exemple l'acétylène ou l'hydrogène et le gaz de refroi- dissement peut être par exemple de l'air épuré et sec ou de l'azote. La matière utilisée pour les particules métal- liques est de préférence le cuivre ou des alliages de cui- vre. Mais il est possible aussi d'utiliser d'autres métaux, par exemple le fer et les alliages de fer. Au cours d'un essai, une couche telle que re- présentée par exemple sur les figures 3 et 4 et formée de corps de cuivre a été déposée sur un tuyau de cuivre de 18 mm de diamètre extérieur. La capacité de transmission de chaleur q a a été mesurée lors de l'ébullition dans un appareil correspondant et plus particulièrement dans les conditions régnant dans les évaporateurs submergés à fais- * ceaux tubulaires de turbomachines frigorifiques à l'aide de l'agent réfrigérant.CF2Cl2 et à une température de va- porisation de 00C. La figure 6 représente les capacités détermi- 12o nées de transmission de chaleur qa en fonction de l'éléva- tion de température AT (voir courbe W), les capacités de transmission de chaleur mesurées sur des tubes à surface "lisse" (vot ocurbe Z.) tant aussi portées à titre de com- paraison sur ce graphique. Le tableau II ci-dessous indique dans un exemple numérique les débits des courants gazeux, de la poudre métallique ainsi que la distance correspondante de projection et de plus la vitesse relative du substrat per- pendiculairement au jet pour un procédé de production d'une couche conforme à l'invention. TABLEAU I 6o t ( C) f (l) dA 9ût) ÈA Cpm) CF C].CF Cl (R114) 60 72 589 40 22 O 64 745 51 CF2Cl2 (R12) 30 72 569 50 -30 65 732 59 CHF2C1 (R22) 20 68 672 53 -40 59 877 64 CF3Br (R1331) -20 75 549 47 -60 68 655 54 CF3Cl (R13) -40 72 592 47 -80 65 734 54 13o TABLEAU II Plage - Gaz combustible: acétylène C2H2 à 1 bar - Gaz oxydant: oxygène 02' à I bar - Gaz de refroidissement: air à 1 bar - Poudre: cuivre sphérique Distance de pulvérisation Vitesse relative 0,5-1,0 0,6-1,2 3,1-6,2 2,5-10 - 150 -15 0,02-0,1 Avantageusement 0,74 (m3/h) 0,85 (m3/h) ,3 (m3/h) 3,0 (kg/h) -80 (Ulm) (cm) 0,05 (m/s) REVENDICATIONS 1. - Surface d'ébullition d'échangeur de cha- leur, se composant d'un substrat métallique sur Leauel est déposée une couche de métal, caractérisée en ce que la couche se compose de corps individuels métalliques qui sont en partie congigus et qui ont différentes fcrrmes et la couche est pratiquement exempte de canaux capillaires la traversant et de pores fermés, la profondeur des espaces subsistant entre les corps individuels et ouverts sur la surface d'ébullition correspondant en moyenne à plus de % de l'épaisseur de la couche, l'épaisseur de cette couche mesurée sur le relief le plus élevé étant comprise entre 30 et 300 jim. 2. - Surface d'ébullition selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la granulométrie de la ma- tière première formant les corps individuels est comprise entre 30 et 150 kim. 3. - Procédé de production d'une couche métal- lique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à déposer les parti- cules formant les corps individuels sur le substrat par le procédé connu de projection de poudre à la flamme, à former un jet de particules de poudre métallique dans un courant accéléré, chauffé par combustion de deux gaz, dont la température est abaissée par un gaz de refroidissement et dont le bilan massique de tous les courants partiels qui l'ont créé comprend en rapport stoechiométrique le gaz de combustion et l'oxygène, les particules de la poudre de métal projetée étant ainsi chauffées par le courant gazeux, ramollies à la surface et transportées vers lé substrat. 4. - Procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce que la poudre métallique se compose de par- ticules de cuivre ayant une granulométrie comprise entre et 80 jim et le débit massique de cette poudre est com- pris entre 2,5 et 10 kg/h, le gaz de combustion utilisé est l'acétylène dont le débit volumigue est compris entre 0,5 et 1,0 m 3/h sous une pression de 1 bar et le gaz oxy- 15. dant utilisé est l'oxygène pur à un débit volumique compris entre 0,6 et 1,2 m3/h sous une pression de bar, le gaz de refroidissement utilisé étant de l'air à température am- biante dont le débit volumique est compris entre 3,1 et 6,2 m /h sous une pression de 1 bar, la distance de pro- jection étant comprise entre 5 et 15 cm et la vitesse rela- tive entre l'aire de projection et le substrat étant com- prise entre 0,C2 et 0,1 m/s.