Brevet FR2475918A1 — publié le 19810821

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour accroître la puissance de transfert thermique d'évapo- rateurs, notamment d'évaporateurs à faisceau tubulaire. On sait qu'en pratique dans le cas des évaporateurs, le fluide caloporteur pénètre dans chaque tube de l'évapora- teur avec un titre de vapeur compris entre environ O % et %, le terme "titre de vapeur" désignant le rapport du débit massique de la vapeur au débit massique total. A l'extrémité du tube de l'évaporateur, le fluide caloporteur est totalement vaporisé, c'est-à-dire que le titre de vapeur est égal à 100 %. Lorsque la vaporisation augmente, la vitesse d'écou- lement augmente également le long du tube considéré et tant la chute de pression dp/dl, que le coefficient de transmission thermique a possèdent des valeurs différentes le long du tube. On sait en outre que, lorsque la longueur du tube, qui est parcourue, augmente et par conséquent lorsque la vitesse massique augmente, le coefficient moyen de trans- mission thermique à augmente. La perte de pression totale Ap augmente également fortement et ceci réduit la différen- ce de température moyenne As dans l'évaporateur. Etant donné que la puissance calorifique transmise est proportionnelle à a x AE, on obtient une longueur optimale déterminée du tube pour un cas déterminé d'utilisation. Cette longueur optimale du tube ne peut cependant pas être respectée dans de nombreux cas techniques d'utilisation, pour des raisons de construction ou de fabrication. Afin d'améliorer la puissance de transfert thermique, il est déjà connu de doubler la section transversale d'écou- lement pour le fluide caloporteur, au bout d'une certaine longueur de tube, en créant des bifurcations. Cette disposi- tion peut entraîner dans de nombreux cas une amélioration, mais ne permet pas de réaliser une optimisation véritable, ni d'accroître au maximum la puissance de transfert ther- mique. On connaît déjà également différents types d'inserts internes au tube et qui s'étendent au moins sur une partie de la longueur du tube véhiculant le fluide caloporteur. A l'aide de ces inserts, on peut agir sur la vitesse du flui- de caloporteur et on peut, de ce fait, améliorer la puissance de transfert thermique. Cependant, dans le cas de ces inserts internes au tube et réalisés par exemple sous la forme d'hélices, un inconvénient réside surtout dans le fait que ces inserts provoquent l'apparition d'états d'écoulement em- brouillés et confus, qui empêchent un calcul de la puissance de transfert thermique de l'ensemble de l'évaporateur. La présente invention a pour but de créer un procédé du type défini plus haut, permettant d'obtenir, de la façon désirée, la puissance de transfert thermique la plus élevée possible, indépendamment de la longueur du tube. Ce problème est résolu conformément à l'invention grâce au fait que, dans le but de rendre maximum la puissan- ce de transfert thermique, on modifie la vitesse massique le long des tubes de l'évaporateur de manière que soit fournie, en tout emplacement, une charge calorifique superficielle au moins approximativement uniforme à la surface du tube. On peut rendre maximum la puissance de transfert ther- mique notamment lorsque la chaleur est transmise par con- vection pure de la paroi du tube au fluide caloporteur. La zone de l'ébullition, qui dans des évaporateurs d'un type de construction antérieur, apparaissait dans le domaine des faibles titres de vapeur et soumettait à contrainte une partie importante de la longueur du tube en raison du coefficient de transmission thermique, relativement faible, se trouve évitée (voir le document VDI-Wârmeatlas, paragra- phes Ha, Hb). Conformément à l'invention, on règle la vitesse massique et le diamètre hydraulique équivalent du tube de manière à obtenir, le long du tube, une valeur optimale cons- tante pour le gradient de pression et pour le coefficient de transmission thermique. On met en oeuvre le procédé conforme à l'invention en utilisant des inserts internes aux tubes et s'étendant au moins sur une partie de la longueur des tubes véhiculant le fluide caloporteur, et ce de telle manière que la section transversale libre de l'écoulement dans chaque tube est accrue, par au moins un insert dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur,depuis une surface de valeur minimale laissant passer au moins le fluide caloporteur essentielle- ment sous forme liquide jusqu'à une surface de valeur maxima- le laissant passer au moins le fluide caloporteur essentiel- lement sous forme de vapeur. Lors de la détermination de la taille de l'élargisse- ment de la section transversale libre d'écoulement, on prend en compte les critères du procédé conforme à l'invention visant à obtenir la puissance de transfert thermique maximum, et ce de préférence sur une base de calcul, étant donné que précisément un avantage essentiel de l'invention doit être vu dans le fait qu'en raison de la géométrie simple et défi- nie et des états d'écoulement,qui de ce fait sont bien nets, les évaporateurs deviennent accessibles au calcul. Toutefois ceci ne doit pas exclure le fait que l'on calcule le maximum recherché de la puissance de transfert thermique en tenant compte des données de l'invention, en effectuant des essais. Comme inserts internes aux tubes on utilise de pré- férence des organes de refoulement ou de déplacement fermés, mais en principe, en vue de réaliser un dispositif conçu con- formément à l'invention, on peut également utiliser de façon appropriée n'importe quelstypesd'organesde refoulement, dans la mesure o ils permettent de prédéterminer de la façon requise la section transversale libre de l'écoulement du fluide caloporteur le long du tube. Dans la pratique il peut être avantageux d'utiliser des organes de refoulement constitués par plusieurs éléments de tubes se succédant directement et maintenus de préfé- rence coaxialement dans le tube respectif véhiculant le fluide caloporteur, lesdits éléments de tubes ayant un dia- mètre diminuant d'une façon étagée pouvant être prédétermi- née, dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur. A titre de variante avantageuse du point de vue de la fabrication et du montage, il faut également mentionner l'utilisation d'organes de refoulement individuels possé- dant des surfaces en section transversale différentes les unes des autres, et qui peuvent être disposés dans les sec- tions rectilignes d'un tube réalisé en forme de serpentin traversant un paquet de lamelles. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés plusieurs exemples de réalisation de l'objet de l'invention. La figure l est une représentation schématique d'une première forme de réalisation de l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'une seconde forme de réalisation de l'invention. Conformément à la figure 1, un tube 1 d'évaporateur est guidé, de façon usuelle à la manière d'un serpentin, à travers un paquet de lamelles. Dans les sections droites de ce tube 1 sont insérés des organes de déplacement ou de refoulement 2, 2', 2" réalisés sous la forme de tubes fermés à leurs extrémités, cependant qu'une fixation en position coaxiale par rapport au tube 1 est assurée par des appendices 5 qui sont réalisés de préférence par des déformations loca- les limitées du tube. Etant donné que les coudes du tube ne participent que de façon insignifiante au transfert thermi- que, il n'est pas nécessaire de disposer à cet endroit des organes de refoulement. Les organes de refoulement 2, 2', 2", qui possèdent des tailles différentes,c'est-à-dire dont les sections trans- versales ont des surfaces différentes, déterminent,-pour le fluide caloporteur pénétrant en 7, des sections transversa- les libres d'écoulement -variables sur toute l'étendue de la longueur du tube. Ainsi au début du tube 1, l'organe de refoulement 2 détermine une fente annulaire 3 possédant une largeur relativement faible, qui a pour effet d'accroître la vitesse massique (kg/m2,s) ou la vitesse d'écoulement et de réduire le diamètre hydraulique équivalent. Ceci contribue à accroître le coefficient de transmission thermique et la chute de pression. On règle la largeur de la fente ou la section trans- verqle libre d'écoulement de manière à obtenir le gradient de pression dp/dl optimal et le coefficient moyen de trans- mission thermique a maximal possible. Afin que cette valeur optimale du gradient de pres- sion soit également assurée dans la partie ultérieure du tube, il faut accroître la section transversale libre d'écou- lement en tenant compte de la vaporisation croissante, ce que l'on obtient au moyen d'une réduction de la surface en section transversale des organes de refoulement 2' et 2", qui se succèdent dans le sens de l'écoulement du fluide calo- porteur. On peut utiliser ce principe avec succès pour des longueurs relativement importantes de tubes, ce qui permet par exemple, déjà pour un titre de vapeur d'environ %, de se passer de l'utilisation d'un organe supplémentai- re de refoulement. Ceci est indiqué sur la figure 1 -avec de la dernière section 4 du tube, dans laquelle il n'y a plus besoin de disposer un organe de refoulement et de la- quelle s'échappe, en 8, le fluide caloporteur pratiquement complètement vaporisé. Au lieu d'utiliser des organes individuels de refou- lement possédant des surfaces en section transversale diffé- rant les unes des autres, on peut également utiliser, con- formément à une autre variante de réalisation de l'invention, des inserts internes au tube et qui sont à nouveau réali- sés sous la forme d'organes de refoulement fermés, mais qui sont constitués par plusieurs éléments de tubes successifs 9, 10, 11, 12 possédant des diamètres étagés. Ceci est repré- senté schématiquement sur la figure 2. De même dans le cas de cette forme de réalisation, on obtient par conséquent une section transversale libre d'écoulement qui augmente suivant le sens de l'écoulement, l'accroissement de cette section transversale libre d'écoule- ment et la diminution de la surface correspondante en sec- tion transversale de l'organe de refoulement étant réalisées conformément aux prescriptions de conception et de dimension- nement fournies par le procédé conforme à l'invention. Le principe de la prédétermination de sections trans- versales libres déterminées d'écoulement pour le fluide caloporteur envoyé à un tube d'évaporateur, peut être non seulement mis en oeuvre au moyen d'organes de refoulement choisis de façon particulière, mais il est également possible de brancher en parallèle. au moins sur des sections par- tielles du tube considéré. d'évaporateur, un circuit sup- plémentaire du fluide caloporteur,et le fluide caloporteur circulant dans ce circuit supplémentaire réduit, dans la sec- tion partielle considérée, la section transversale libre d'écoulement présente pour le fluide caloporteur envoyé au total dans le tube considéré de l'évaporateur,et ce d'une ma- nière pouvant être prédéterminée par le dimensionnement du circuit supplémentaire respectif. Dans toutes les formes de réalisation pratiques et dans toutes les mises en oeuvre pratiques du procédé confor- me à l'invention, il faut cependant que soit garanti que la vitesse massique est modifiée de telle manière qu'en tout emplacement le long de l'évaporateur se trouve appliquée une charge calorifique approximativement uniforme sur la surface du tube, étant donné que c'est seulement de cette manière que l'on peut, de la façon recherchée, accroître de manière maximale la puissance de transfert thermique, con- formément à la présente invention. Selon une variante de réalisation de l'invention, chaque insert 2 peut être réalisé sous la forme d'un organe de refoulement dont la section transversale est en forme d'étoile. REVENDICATIONS 1. Procédé pour accroître la puissance calorifique d'évaporateurs, notamment d'évaporateurs à faisceau tubulai- re, au moyen d'une influence exercée sur l'écoulement du fluide caloporteur, ladite influence étant mise en oeuvre au moins sur une partie de la longueur des tubes et agis- sant dans le sens d'une diminution de la vitesse massique du fluide caloporteur, caractérisé par le fait que, en vue de rendre maximum la puissance thermique, on modifie la vitesse massique le long des tubes (1) parcourus par l'écou- lement de manière à obtenir, en tout emplacement le long de l'évaporateur, une charge calorifique superficielle appro- ximativement uniforme de la surface des tubes (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse massique et/ou le diamètre hydraulique équivalent des tubes (1) est réglée de manière à maintenir, en tout emplacement le long du tube (1), un gradient de pression possédantune valeur optimale et un coefficient de transmission thermique possédant une valeur optimale et qui créent une charge calorifique superficielle moyenne maximum. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que l'on règle la vitesse massique de manière à se trouver toujours dans le domaine de la transmission thermique par convection. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'au moins une sec- tion partielle du tube (1) est équipée d'un circuit supplé- mentaire pour le fluide caloporteur. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que des sections partielles du tube (1), qui se succè- dent dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur, sont équipées de circuits supplémentaires séparés les uns des autres et dimensionnés de façon différente. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, moyennant l'utilisation d'Inserts (2, 2', 2") s'étendant au moins sur une partie de la longueur des tubes (1) véhiculant le fluide caloporteur, caractérisé en ce que la section transversale libre d'écoulement de chaque tube (1) est accrue par au moins un insert (2) dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur, depuis une surface de valeur minimum (3) lais- sant passer au moins le fluide caloporteur essentiellement sous forme liquide jusqu'à une-surface de valeur maximale (4) laissant passer au moins le fluide caloporteur essentielle- ment sous forme de vapeur. 7. Dispositif selon la-revendication 6, caractérisé en ce que l'accroissement de la section transversale libre d'écoulement correspond au moins essentiellement à l'accrois- sement du titre de vapeur de l'écoulement biphasé s'établis- sant. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque insert (2) est réalisé sous la forme d'un organe de refoulement fermé. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que chaque insert (2) est réalisé sous la forme d'un organe de refoulement dont la section transver- sale est en forme d'étoile. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque insert (2) possède sur toute sa longueur au moins sensiblement la même surface en section transversale et que-des inserts successifs suivant le sens d'écoulement du fluide caloporteur possèdent des surfaces en section transversale diminuant les unes par rapport aux autres. - 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque insert (2) possède sur toute sa longueur une surface en section transversale, décroissante. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 11, caractérisé en ce que chaque insert (2) est maintenu dans le tube (1) par des supports (5) réalisés par des parties déformées dudit insert. 13. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque organe de refoulement est constitué par plusieurs éléments de tube (9, 10, 11, 12) se succédant directement les uns aux autres, reliés de façon serrée entre eux et maintenus de façon coaxiale dans le tube respectif (1) véhiculant le fluide caloporteur, le diamètre desdits éléments de tube diminuant selon un étagement pou- vant être prédéterminé, dans le sens d'écoulement du fluide caloporteur.