Brevet FR2478290A1 — publié le 19810918

24?8290 L'invention se rapporte à un échangeur de chaleur à plaques perforées. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique portant les numéros suivants: 1 508 860, 2 016 164, 2 028 298, 2 451 629, 2 879 976, 3 228 460 et 3 409 075 décrivent des échangeurs de chaleur dont les élémenes d!échange consistent en plaques ou éléments perforés. Tous ces dispositifs se caractérisent par le fait que les éléments échangeurs de cha- leur sont perfores de manière aléatoire et sont aussi Corientés e manière aléiatoire dans liensemble de lUéchangeur. Dans ces d-ispsitifs de lart- antrieuri., les 6lé mnets perf rte chnge de chaleur sont assemblesde mlàanie i i ter!a c rculation dIun cluide sous pression i raese dans un direo a::ialeo Ces éléments 1e ci *maiêre altar ire ont pur etedexoser le en uation une d1change uri est i !atî, ic1vemen% gravnde eîLqui ezaci-ltec l'echange hzieenr ce faluiJ e, e l__ens p rfSo Cres échaingeurs de cha leur ànt une bene eff cai e is corniennent particulirementS bien dans dnmese s epp!icaionso Dans iapp!icaa culiere daun échangeur dceheu nun mour yle 8tirling li est nécessaire eue le tau: de tra.....i.. de cha!leur soit le plus eé1evé cssi ble avec un volume de.gaz e iemesn tàa,l i ntér eur de l'échangeur d'ans lequel l!e gaz en circulation peut subir un minim um dûimédanceo Il n3est pas possible duàbteînir ces résultats avec les dispositifs de l'art antérieur dont les éléments perforés d'échange de chaleur sont orientés de ma- nière aléatoire. Lorsque les perforations des rmultiples élé- ments échangeurs de chaleur sont pratiquement à l'alignement, la circulation du fluide est maximisée et cette circulation subit une.très faible impédanceo Mais par contre, lorsque les perforations des éléments de transfert de chaleur ne sont pratiquement pas à l'alignement, la circulation axiale est totalement inter- rompue et donc l'impédance opposée à cette circulation est très élevée. Dans ce cas, l'impédance opposée à la circula- tion représente un facteur important qui affecte le rendement du moteur à cycle Stirling. L'invention a pour objet un échangeur de chaleur très efficace qui assure des taux de transfert de chaleur extrêmement élevés avec un volume de fluide extrêmement faible. Il comprend une enveloppe cylindrique supportant de multiples plaques discordes empilées dans la direction de l'axe à distance les unes des autres. L'enveloppe cylindrique comporte de multiples ailettes orientées radialement vers l'extérieur et disposées à l'intérieur d'une chemise étanche aux fluides qui est destinée à la circulation d'un métal liquide, d'une vapeur ou d'un autre fluide analogue d'échange de chaleur. Toutes les plaques d'échange de chaleur compor- tent de multiples perforations identiques qui sont parallèles à l'axe du dispositif, les perforations étant disposées sui- vant une matrice régulière dans chaque plaque. Les plaques ne sont intentionnellement pas à l'alignement, les plaques voi- sines étant décalées angulairement d'environ 2 % autour de l'axe du dispositif. Ainsi, les perforations correspondantes des plaques sont disposées en hélice à l'intérieur de l'enve- loppe du dispositif. Donc, une partie du fluide en circula- tion passant par chaque perforation subit un cisaillement sous l'effet du décalage de la perforation suivante avec pour conséquence qu'une petite partie du flux est déviée radia- lement en une circulation laminaire entre les plaques voi- sines. Cette circulation laminaire assure le taux élévé de transfert de chaleur qui est nécessaire à un motèur à cycle Stirling. Par ailleurs, le faible décalage des perforations n'augmente pas de manière notable l'impédance opposée à la circulation dans le dispositif. L'alignement en hélice des perforations impose - au fluide une circulation sensiblement en hélice, à l'excep- tion de la partie qui est déviée et qui forme un flux lami- naire entre les plaques. La circulation en hélice impose un moment angulaire au fluide et le fait s'écouler par l'exté- rieur au cours de sa circulation dans la direction de l'axe en augmentant ainsi le rayon du trajet en hélice. Ce moment angulaire fait circuler le fluide dans la totalité du dispo- sitif en maximisant la superficie sur laquelle le transfert de chaleur a lieu. La distance séparant les plaques perforées dans la direction de l'axe est adoptée soigneusement de manière à optimiser la circulation laminaire et le transfert de chaleur qui en résulte sans augmenter le frottement du fluide dans l'ensemble du dispositif. L'écartement axial optimal des plaques crée entre les plaques voisines un volume qui est égal au volume du fluide qui subit un cisaillement par l'effet du décalage des perforations des plaques successives. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limi- tatifs et sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un moteur à cycle Stirling de type connu; - la figure 2 est une coupe axiale partielle schématique d'un échangeur de chaleur selon l'invention; - la figure 3 est une vue partielle de détail de la périphérie d'une plaque d'échange de chaleur selon l'in- vention; - la figure 4 est une coupe axiale partielle de détail montrant le décalage des perforations. des plaques d'échange de chaleur; - la figure 5 est une coupe transversale de l'échangeur de chaleur de la figure 2; - la figure 6 est une coupe axiale partielle de détail montrant plusieurs plaques d'échange de chaleur ainsi que la circulation du fluide passant par les perforations ainsi que celle qui forme un écoulement laminaire entre les plaques; - la figure 7 est une vue en plan montrant le décalage des perforations des plaques successives d'échange de chaleur; la figure 8 est une coupe axiale schématique partielle d'une variante de réalisation de l'échangeur de chaleur selon l'invention; et - figure 9 est une coupe transversale de la va- riante de réalisation de la figure 8. L'échangeur de chaleur selon l'invention, qui a une grande efficacité, convient particulièrement bien aux moteurs à cycle Stirling. Ces moteurs sont décrits par exem- ple dans l'ouvrage "STIRLING CYCLE MACHINES" de Graham Walker, publié aux presses universitaires d'Oxford en 1973. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 478 511 décrit un mode de réalisation particulier d'un moteur de ce type. La figure 1 représente un exemple de moteur Stirling selon l'art antérieur qui comprend plusieurs pistons 11 disposés dans des cylindres 12 en nombre égal. Les pistons 11 sont montés de manière étanche à la pression dans les cylindres 12 dans lesquels ils subissent une translation. L'extrémité inférieure de chaque cylindre est raccordée à l'extrémité supérieure d'un cylindre voisin de manière que la course descendante d'un piston provoque le refoulement du fluide de travail vers l'extrémité supérieure du cylindre voisin. Le raccordement entre cylindres voisins passe par un réchauffeur 13, un régénérateur thermique 14 et un refroi- disseur 15. Le réchauffeur 13 ainsi que le refroidisseur 15 sont constitués d'échangeurs de chaleur à grande efficacité. L'invention se rapporte à un tel échangeur de chaleur à grande efficacité qui peut être utilisé soit en ré- chauffeur 13, soit en refroidisseur 15 dans le moteur à cycle Stirling. Comme le montre la figure 2, l'échangeur de chaleur de l'invention comprend une enveloppe sensiblement cylin- drique 16 qui est disposée à l'intérieur d'une chemise annu-- laire 17 de chauffage ou de refroidissement. Plusieurs ailet- tes radiales 18 sont fixées sur la surface extérieure de l'enveloppe 16 et pénètrent dans la cavité 19 délimitée par la chemise 17 de chauffage ou de refroidissement. Une circu- lation d'un liquide de chauffage ou de refroidissement tel que de l'eau ou un métal liquide est maintenue dans la cavité 19 afin de produire un échange de chaleur avec les ailettes 18 et donc avec l'enveloppe et l'intérieur de l'échangeur de chaleur. Plusieurs plaques discordes 21 d'échange de cha- leur sont disposées à l'intérieur de l'enveloppe 16. Les pla- ques 21 sont placées à distance les unes des autres dans la direction de l'axe et sont supportées le long de leur bord périphérique par l'enveloppe 16. Une tubulure 22, soit 24,78290 d'admission, soit d'échappement, est reliée à l'une des extrémités de l'enveloppe cylindrique 16. La forme évasée de la tubulure 22 a pour effet que le fluide de travail du mo- teur parvient sur la totalité de la surface des plaques 21. La partie évasée de la tubulure 22 peut avoir en coupe trans- versale la forme d'une courbe exponentielle de manière à amé- liorer la nature non turbulente du fluide de travail se diri- geant sur la plaque 21. L'enveloppe 16 est entièrement fermée de manière hermétique, sauf à l'embouchure de la tubulure 22 et à l'ori- fice situé à l'autre extrémité et la raccordant de manière non représentée au régénérateur 14. Il apparaît à l'évidence que l'échangeur de chaleur de l'invention est destiné à une circulation axiale. Comme le montre la figure 3, chaque pla- que 21 comporte de multiples trous 23 qui la traversent pa- rallèlement à l'axe de l'enveloppe 16. Les trous 23 occupent un peu moins de la moitié de la superficie de chaque plaque 21 et sont disposés suivant une matrice régulière qui n'est pas orthogonale. Toutes les plaques 21 sont identiques et les matrices de trous qu'elles comportent sont aussi identiques. Une particularité essentielle de l'invention que représente la figure 4 est le fait que les plaques 21 sont disposées de manière que les trous 23 soient décalés dans une mesure prédéterminée. Ce décalage est d'approximativement 2 %, c'est-à-dire qu'une projection de la surface d'un trou 23 sur le trou correspondant de la plaque voisine montre que 98 % seulement de la surface des deux trous sont à recouvre- ment dans une direction parallèle à l'axe de l'enveloppe 16. Donc, environ 2 % du fluide de travail qui traverse chaque plaque 21 dans la direction de l'axe sont déviés par rapport à cette circulation axiale. - Comme le montre la figure 6, le décalage inten- tionnel et prédéterminé des trous 23 a un effet significatif sur la circulation du fluide de travail dans l'échangeur de chaleur. Lorsque le fluide passe par les trous de la plaque 21a, les trous suivants par lesquels cette partie du fluide peut circuler ont l'apparence représentée sur la figure 7. Environ 2 % du fluide circulant par le trou de la plaque 21a subissent un cisaillement par le bord 23b qui pénètre dans le flux du fluide et sont déviés de manière à former une circu- lation laminaire entre les plaques 21a et 21b. Ce processus se répète au cours du passage du flux de fluide à travers les plaques 21 qui se succèdent. Les parties des flux de fluide qui sont déviées de manière à former une circulation lam- inaire dans les intervalles 24 séparant les plaques 21 sont exposées à une grande superficie de ces plaques. Cette expo- sition de fluide à une grande surface de ces plaques 21 pro- voque un taux élévé de transfert de chaleur à ces dernières et donc constitue en partie la raison pour laquelle l'échan- geur de chaleur de l'invention est très efficace. La chaleur est transférée par les plaques 21 à l'enveloppe 16 ou inver- sement. L'espace séparant les plaques 21 dans la direc- tion de l'axe et formant les intervalles 24 est aussi une caractéristique importante de l'invention. Le volume de chaque intervalle 24 séparant les plaques voisines 21 est approximativement égal au volume du fluide de travail qui subit le cisaillement sous l'effet du décalage des trous 23. En d'autres termes, le volume de l'intervalle 24 est approxi- mativement égal à 2 % de la somme des volumes des trous 23 de l'une des plaques 21. Cet espacement particulier garantit la circulation laminaire entre les plaques et aussi un équilibre d'impédance sur les trajets suivis par le fluide en circula- tion. Il convient également de remarquer que l'espa- cement échelonné des trous 23 que représentent les figures 4, 6 et 7 est la conséquence du décalage angulaire des plaques 21 autour d'un axe qui coïncide avec l'axe de symétrie de l'enveloppe 16. Un autre effet important produit par ce déca- lage est qu'une partie importante du flux de fluide passant par un trou 23 est légèrement dévié latéralement dans une direction qui est toujours perpendiculaire à l'axe du dispo- sitif. L'effet cumulatif de ce décalage et de cette déviation est qu'ils imposent une circulation en hélice du fluide de travail passant dans l'échangeur de chaleur. La circulation en hélice de ce fluide de travail lui impose un moment angulaire et le fait se déplacer radia- lement vers l'extérieur sous l'effet de la force centrifuge qu'il subit. Donc, la circulation axiale dans l'enveloppe 16 est déviée en une circulation hélicoïdale sous l'effet de la force centrifuge qu'elle subit et en provoque l'expansion en direction radiale, de sorte que le fluide circule dans le volume total de l'échangeur de chaleur. Donc, le volume de l'échangeur de chaleur dans lequel l'échange actif prend place est maximisé. Par ailleurs, le diamètre du rétrécissement 26 de la tubulure 22 est choisi de manière que la section transver- sale de ce rétrécissement soit égale à la section transver- sale de circulation du fluide dans chaque plaque de manière à équilibrer mieux encore les impédances opposées à cette cir- culation; en d'autres termes, cette surface transversale correspond au nombre des trous de chaque plaque multiplié par la surface de chaque trou. Cet équilibre d'impédance améliore l'échange de chaleur adiabatique qui est nécessaire au dérou- lement d'un cycle Stirling. Lorsque le sens de la circulation du fluide est inversé, ce qui est le cas dans un moteur à cycle Stirling, l'échange de chaleur se produit exactement de la manière décrite ci-dessus. Les figures 8 et 9 représentent une variante de réalisation de type communément dénommé "échangeur de chaleur à contre-courant". Elle comprend une enveloppe sensiblement cylindrique 27 qui supporte intérieurement plusieurs plaques 21 d'échange de chaleur de la même manière que décrite précé- demment. Les plaques sont maintenues à distance par de multi- ples garnitures annulaires extérieures 28, l'une de ces gar- nitures étant placée entre chaque paire de plaques voisines. Les garnitures 28 forment des entretoises ainsi que des joints d'étanchéité. Cette variante de réalisation comprend également de multiples garnitures annulaires intérieures 29 dont l'épaisseur est égalé à celle des garnitures 28, mais dont le diamètre est beaucoup plus petit. Les garnitures 29 sont dis- posées concentriquement autour de l'axe de l'enveloppe 27 et elles constituent aussi des entretoises ainsi que des joints d'étanchéité qui délimitent un espace de circulation axiale 31 ainsi qu'un espace 32 de circulation extérieure annulaire. Les entretoises 29 isolent les deux espaces de circulation 31 et 32, de sorte que des fluides de travail différents peuvent occuper chaque espace sans se mélanger. On observe toutefois que chacune des plaques 21 est disposée aussi bien dans l'espace 31 que dans l'espace 32 de circulation. Ainsi, des fluides indépendants de travail peuvent circuler dans une direction sensiblement parallèle à l'axe dans les espaces 31 et 32 et les plaques 21 produisent un échange de chaleur. Les trajets de circulation dans chacun des espaces 31 et 32 sont sensiblement ceux qui ont été décrits plus haut, la différence résidant dans le fait que des fluides de travail dont les températures sont différentes peuvent circuler à contre-courant dans des' espaces séparés dans cette variante de réalisation. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe (16, 27) destinée à une circulation de fluide de travail passant par elle sensiblement dans la direction de son axe, plusieurs plaques d'échange de chaleur (21) qui sont parallèles étant supportées dans cette enve- loppe à distance les unes des autres, chacune de ces plaques comportant de multiples trous (23) qui sont sensiblement parallèles à l'axe de ladite enveloppe (16) et qui sont dis- posés suivant une matrice, ces plaques étant disposées avec un décalage angulaire de valeur prédéterminée autour dudit axe par rapport à chaque plaque voisine. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice desdits trous (23) est iden- tique dans toutes lesdites plaques (21). 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit décalage angulaire est de même valeur pour toutes les paires de plaques voisines 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite valeur prédéterminée du décalage angulaire est équivalente à un décalage approximatif de deux pour cent (2.%) desdits trous (23) de plaques voisines (21). 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque groupe de deux plaques voisines (21) délimite un intervalle annulaire (24) ayant un volume prédéterminé et- ce volume prédéterminé est égal au volume des parties desdits trous (23) qui sont décalées par rapport aux trous d'une plaque voisine. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de multiples garnitures an- nulaires extérieures (28) dont chacune est placée entre deux plaques voisines et qui en assure l'écartement et le montage étanche ou hermétique. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de multiples garnitures an- nulaires internes (29) dont chacune est placée entre deux plaques voisines (21) afin de les maintenir à distance et d'en assurer le montage étanche ou hermétique, de manière à 1 0 délimiter deux espaces indépendants et concentriques de cir- culation dudit fluide de travail, à savoir un espace inté- rieur (31) et un espace extérieur (32). 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une tubulure de décharge (22) reliée à une extrémité de ladite enveloppe (16, 27) et comprenant un rétrécissement (26) ainsi qu'une partie évasée qui relie ce dernier et ladite enveloppe, ledit rétré- cissement ayant une section transversale qui est sensiblement égale à celle des multiples trous (23) de l'une desdites pla- ques (21). 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe (16, 27) a une forme sensiblement cylindrique et le diamètre desdites plaques mul- tiples (21) est égal au diamètre interne de cette enveloppe. 10. Echangeur de chaleur selon 'la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques multiples (21) sont pla- cées à distance égale le long de l'axe de ladite enveloppe (16, 27) à laquelle elles sont perpendiculaires. 11. Moteur à cycle Stirling comprenant plusieurs cylindres (12) dans chacun desquels coulisse un piston (11) et dont un raccord pour fluide relie l'extrémité supérieure au fond d'un cylindre voisin par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur (13, 15), caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur comprend une enveloppe (16, 27) destinée à une circulation sensiblement axiale d'un fluide7 de travail, passant par 'elle, plusieurs plaques d'échange de chaleur (21) étant supportées parallèlement à distance les unes des autres dans ladite enveloppe, chacune de ces plaques comprenant une matrice de trous (23) et étant disposées avec un décalage angulaire de valeur prédéterminée autour dudit axe par rap- port aux plaques voisines. 12. Moteur à cycle Stirling selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que la matrice desdits trous (23) est identique pour chacune desdites plaques multiples (21) et ledit décalage angulaire est identique entre toutes les pla- ques voisines. 13. Moteur à cycle Stirling selon la revendica- tion 11, caractérisé en ce que les raccords pour fluide entre cylindres comprennent un conduit et un élément évasé (22) qui relie ce conduit et ladite enveloppe (16, 27), la section transversale dudit conduit étant égale à la section transver- sale totale des trous multiples (23) de l'une desdites pla- ques (21). - 14. Moteur à cycle Stirling selon la revendica- tion 13, caractérisé en ce que ledit élément évasé (22) a en coupe axiale un profil à courbe exponentielle s'évasant vers l'extérieur entre ledit tube et ladite enveloppe. 15. Echangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe (16, 27) destinée à une circulation sensiblement axiale de fluide passant par elle et supportant plusieurs plaques parallèles d'échange de chaleur (21) à dis- tance les unes des autres, chacune de ces plaques comprenant de multiples trous (23) sensiblement parallèles à l'axe de l'enveloppe et disposés suivant une matrice, chaque plaque étant disposée avec un décalage angulaire de valeur prédéter- minée autour de l'axe de l'enveloppe par rapport aux plaques voisines, la matrice formée par ces trous étant identique pour toutes les plaques et ladite valeur prédéterminée du décalage angulaire étant équivalente à environ deux pour cent !2 %) de décalage desdits trous d'une plaque à une plaque voisine. 16. Echangeur de chaleur, caractérisé'en ce qu'il comprend une enveloppe (16, 27) destinée à une circulation sensiblement axiale de fluide de travail passant par elle et supportant de multiples plaques parallèles (21) d'échange de chaleur placées à distance les unes des autres et dont cha- cune comprend de multiples trous (23) qui sont sensiblement parallèles à l'axe de l'enveloppe et disposés suivant une matrice, chacune desdites plaques étant disposée avec un décalage angulaire prédéterminée autour de l'axe de l'enve- loppe par rapport aux plaques voisines, chaque groupe de deux plaques voisines délimitant un intervalle annulaire (24) ayant un volume prédéterminé qui est égal au volume des par- ties desdits trous (23) qui sont décalées par rapport aux trous d'une plaque voisine (21). 17. Echangeur de chaleur comprenant une enve- loppe (16, 27) destinée à une circulation sensiblement axiale de fluide de travail passant par elle et supportant parallè- lement de multiples plaques d'échange de chaleur (21) placées à distance les unes des autres, chaque plaque comprenant plu- sieurs trous (23) sensiblement parallèles à l'axe de l'enve- loppe et disposés suivant une matrice, chaque plaque étant disposée avec un décalage angulaire prédéterminé autour dudit axe par rapport aux plaques voisines et au moins une tubulure de décharge (22) étant reliée à une extrémité de ladite enve- loppe (16, 27), cette tubulure comprenant un rétrécissement et une partie évasée qui relie ce dernier et ladite enveloppe (16, 27), ledit rétrécissement ayant une section transversale sensiblement égale à la section transversale totale des trous multiples (23) de l'une desdites plaques (21). 18. Moteur à cycle Stirling comprenant plusieurs cylindres (12) dans chacun desquels coulisse un piston (11) et dont la partie supérieure de chacun est reliée par un rac- cord de fluide au fond d'un autre cylindre par l'intermé- diaire d'au moins un échangeur de chaleur (13, 15), caracté- risé en ce que ledit échangeur de chaleur comprend une enve- loppe (16, 27) dans laquelle le fluide de travail circule sensiblement dans la direction de l'axe et qui supporte parallèlelement plusieurs plaques d'échange de chaleur (21) les unes à distance des autres, chacune de ces plaques com- prenant une matrice de trous (3) sensiblement parallèles à l'axe de l'enveloppe, chaque plaque étant disposée avec un décalage angulaire prédéterminé autour dudit axe par rapport aux plaques voisines, ledit raccord pour fluide comprenant une canalisation et un élément évasé (22) qui relie cette dernière et ladite enveloppe (16, 27), cette canalisation ayant une section transversale égale à la totalité de la section transversale des trous multiples (23) de l'une des- dites plaques (21).