Brevet FR2507298A1 — publié le 19821210

La présente invention se rapporte aux techniques d'échange de chaleur et de masse et a notamment pour obJet un dispositif pour la lise en contact de deux fluides non mélangeables, plus particulièrement pour assurer le transiert de la chaleur d'un liquide à un autre par leur mise en contact direct. De tels dispositifs peuvent tre utilisés notamment dans les installations thermiques de dessalage d'eau, les évaporateurs , les installations frigorifiques, les dispositifs d'extraction, ainsi que dans d'autres installations, pour le chauffage , le refroidissement ou l'extraction de ces liquides non mélangeables. On connait des échangeurs de chaleur par contact, avec écoulement dispersé d'un fluide. Tous ces dispositifs sont destinés à transmettre la chaleur par contact entre deux liquides non mélangeables de densités différentes, l'un de ces liquides étant dispersé sous forme de gouttes, tandis que l'autre est en écoulement continu, Le coefficient de transmission de chaleur sur la surface de contactdss deux liquides n'est pas élevé (de l'ordre de 100 à 200 V/m2ic), par suite de la faible vitesse de déplacement du liquide dispersé sous forme de gouttes et de l'absence de mouvement turbulent dans les gouttes elles mSiec lors de l'écoulement en nasse de celles-ci.Ceci entraine une augmentation du volute et de la hauteur de l'échangeur de chaleur et une augmentation du cott du dispositif et affecte son exploitation. L'invention proposée a pour prototype un dispositif de contact (brevet d'invention Grande Bretagne N0 1074231), dans lequel le processus de transmission de chaleur par contact entre deux liquides s'effectue dans un film sur la surface de tiges, de colonnes ou de barres disposées Verticalement ou obliquement dentelle manière que le liquide dispersé ouille les tiges et forme une surface de liquide en écoulement. Ce dispositif comprend, dans la partie de travail de son corps, une pluralité de lames de distribution intermédiaire horizontales présentant des orifices à travers lesquels passent les tiges dont la surface est mouillée par le liquide. Dans ce dispositif de contact, le processus de recouvrement des tiges par l'un des liquidesen contact est basé sur le mouillage de ces tiges par le liquide ayant une meilleure mouillabilité par rapport à l'autre et, par consé- quent, sur un meilleur "accrochage" de ce liquide à la surface des tiges, ce qui provoque un freinage du fluide recouvrant les tiges, et ce, jusqu'à l'garrot du déplacement de celui-ci lorsque l'épaisseur du film atteint une valeur critique à laquelle les forces d'adhérence du fluide à la surface de la tige deviennent égales aux forces favorisant le mouvement du film, c'est-à-dire aux forces de pesanteur Une telle méthode de mouillage ne permet pas de régler l'épaisseur du film de liquide sur la surface des tiges de manière que les forces de gravité dépassent les forces d'adhérence, c'est-à-dire qu'il est impossible de créer un mouvement turbulent organisé du film à une vitesse déterminée, d'où l'impossibilité d'intensifier les precessus d'échange de chaleur et hydrodynamiques dans l'échangeur de chaleur par contact. Cet inconvénient se traduit par un bas rendront de l'appareil pour un encombrement relativement important de ce dernier. Un autre inconvénient de ces échangeurs de chaleur réside en ce qu'ils sont sujets aux colmatages et au dépot de tartre sur leurs surfaces en cas de fonctionnement avec un liquide à haut degrd de minéralisation, apte à former des dép5ts. La présence de lames de guidage transversales multiples à travers les orifices desquels passent les tiges dont la surface est mouillée par le liquide a pour conséquence que les sels précipités sous forme de boue s'accummulent sur ces lames jusqu'à obstruer les interstices, dans les orifices, entre la lame et les tiges, ce qui arrête le fonctionnement de l'appareil.En outre, si les diamètres des tiges dépassent les dimensions critiques de la circonférence, causées par les forces de tension superficielle des liquides non mélangeables, il peut se produire une "contraction" du film sur les tiges, ce qui a pour effet de dénuder partiellement la surface de ces tiges. Cela peut provoquer des dépôts partiels de sels, des échafaudages, et une baisse du rendement de l'appareil. L'invention vise donc à créer un dispositif pour la mise en contact de deux fluides non mélangeables, pernettant d'intensifier le processus d'échange de chaleur et de masse en communiquant une vitesse. de déplacement prédéterminée à la couche intérieure du film de l'un des fluides, qui se déplace sur la surface de guidage. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'un dispositif pour la lise en contact de deux fluides non mélangeables, du type comportant un corps orienté vers le haut et dans lequel est monté un aJutage comprenant une pluralité d'éléments formant une surface de guidage pour l'un desdits fluides, chacun de ces éléments étant relié à des couvercles dudit corps et passant, avec un jeu , travers un canal correspondant ménagé dans des grilles distributrices disposées entre lesdits couvercles, lequel procédé est caractérisé, selon l'invention, en ce que le jeu entre l'élément de l'ajutage et la paroi du canal à la sortie de ce dernier (dans le sens d'écoulement du fluide sur la surface de guidage) ne dépasse pas une valeur correspondant à l'épaisseur du film continu de ce fluide s'écoulant en continu sur la surface de guidage des éléments de l'ajutage, chaque élément de l'ajutage étant relié d'une manière mobile et élastique à au moins l'un des couvercles dudit corps. Un tel dispositif permet de créer un film mobile continu de fluide se déplaçant sur la surface de guidage de 11 élément de l'ajutage ; autrement dit, il se forme sur la surface de guidage de ltéldment de l'ajutage, une surface mobile continue d'échange de chaleur et de masse, cette surface étant, en outre, réglable, ce qui sera expliqué en détail dans la suite de la description. Pour effectuer un réglage plus fin du mouvement des fluides il est rationnel de conférer à chaque élément de l'ajutage une forme ondulée. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réasation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références au dessin unique non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 est une vue générale du dispositif selon l'invention, en coupe partielle - la figure 2 représente,à échelle agrandie, un élément de l'ajutage monté en place. L'invention est expliquée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, dans son application en tant qu'échangeur de chaleur, étant entendu que ce n'est pas là sa seuls application possible. L'échangeur de chaleur par contact comprend un corps 1 orienté vers le haut, dont la partie de travail contient un ajutage ou ensemble d'éléments de guidage vertical flottant librement et comprenant une pluralité d'éléments 2 formant une surface de guidage pour un finide de chauffage. Dans l'exemple de réalisation considéré, les éléments 2 de l'ajutage se présentent sous forme de tiges droites (figure 1) ou ondulées figure 2), mais l'invention n'est pas limitée à ces formes, lesdits éléments pouvant,sans sortir du cadre de l'invention,se présenter par exemple sous forme de lames ou sous toute autre forme appropriée Les bouts du corps de l'échangeur portent, sur des brides, des chambres 3 et 4 d'entrée et de sortie de liquides, cloisonnées par des grilles distributrices 5 comportant une pluralité de canaux 6 par le centre de chacun desquels passe un élément 2.L'élément 2 passe à travers le canal 6 en formant entre lui et ce dernier un intervalle dont la valeur, à la sortie dudit canal (dans le sens d'écoulement du fluide de chauffage),, nedépasse par celle de l'4palseur du film continu dudit fluide s'écoulant sur la surface de guidage formée par la surface de l'élément 2. Il est évident que la valeur de cet intervalle dépend de la tension superficielle du fluide considéré. Comme montré sur la figure 2, le canal peut être conique ou présenter un biseau 6' à sa sortie (dans le sens d'écoulement dudit fluide) .Les essais effectués ont montré que, pour des fluides tels que lthuile synthétique, la paraffine liquide ou l'huile minérale, il est rationnel que la valeur de l'intervalle entre l'élément 2 et la paroi du canal 6 au voisinage du biseau 6' soit égal par exemple à environ 1,5 ms. Dans les couvercles du corps de l'échangeur sont disposés des disques 7, à l'un desquels les éléments 2 sont fixés d'une manière immobile (figure 2), tandis qu'à l'autre disque lesdits éléments sont fixés d'une manière mobile, à l'aide de ressorts tendeurs 8. Les chambres précitées présentent des tubulures d'amenée 9 et d'évacuation 10 du fluide de chauffage et des tubulures d'amenée Il et d'évacuation 12 du liquide en phase continue (de l'eau par exemple). L'échangeur de chaleur par contact fonctionne de la manière suivante. Le liquide de chauffage (huile synthétique, paraffine liquide, huile minérile,etc) est amené dans la chambre d'alimentation 3 sous une pression qui dépasse la pression dans lapaptie de travail du corps de l'échangeur. Ceci crée une certaine différence de pression à l'entrée et à la sortie des canaux 6 de la grille distributrice 5 lorsque le fluide de chauffage est amené à une vitesse déterminée suivant la surface des éléments 2 de l'ajutage flottant. La valeur d'arrosage (rapport du débit de l'un des liquides à celui de l'autre dans la section transversale de l'échangeur de chaleur) et l'épaisseur du film sur les surfaces des éléments 2 sont réglées par variation de la pression différentielle dans la chambre d'alimentation et dans la partie de travail du corps de l'échangeur de chaleur, en variant > à cet effet, la pression dans la chambre 3. La collecte du liquide de chauffage s'effecttie dans la chambre collectrice 4, d'où ce liquide est évacué par la tubulure 10. L'autre liquide (notamment de l'eau à haut degré de minéralisation) est amené dans la chambre 4, passe en écoulement continu sur les films de liquide de chauffage à contre-courant desdits films, et , réchauffé, est évacué de l'changeur à travers la chambre 3 et la tubulure 11. Pour porter l'eau à haut degré de minéralisation à une température supérieure à 100 C, l'échangeur de chaleur fonctionne sous une pression qui exclut l'ébullition de l'eau. Le dispositif conforme à l'invention permet de créer des régimes hydrodynamiques et d'échange de chaleur et de masse optimaux,contribuant à augmenter sensiblement le rendement de ltéchangeur de chaleur par rapport aux disposiln connus. Le rait d'utiliser, dans la partie de travail du corps du dispositif, un ajutage ou ensemble d'éléments d guidage vertical à flottement libre permet d'obtenir un mouvement continu des films,d'assurer la turbulence du courant de liquide dans le film et, par conséquent, d'augmenter le coefficient de transmission de chaleur, ce qui est important pour les fluides visqueux hydrophobes. L'augmentation de la vitesse de déplacement du film est due à l'action , sur ce film, de deux forces: la force créée par la différence des densitâ des deux liquides, et la force de pression dynamique créée dans le canal de la grille distributrice et agissant sur la couche moyenne du fil en combinaison avec les forces de tension superficielles apparaissant à l'interface des deux liquides. Compte tenu des conditions de ces forces, l'épaisseur du film ne dépasse pas,de préférence,1,5 mm. Les essais réalisés à l'aide d'un modèle de laboratoire d'échangeur de chaleur par contact ont confirmé les considérations théoriques exposées plus haut. La vitesse de déplacement du film le long de l'ajutage de guidage a augmenté de deux fois par rapport au déplacement du courant en gouttes du fluide hydrophobe, et le coefficient de transmission de chaleur par contact à l'interface des deux fluides a augmenté de 4 à 5 fois. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mise en contact de deux fluides non mélangeables, du type comprenant un corps orienté vers le haut et dans lequel est monté un ajutage ou ensemble d'éléments de guidage constitué par une pluralité d'éléments formant une surface de guidage pour l'un desdits fluides, chacun de ces éléments étant relié aux couvercles du corps (1) du dispositt, et des grilles de distribution (5) disposées entre lesdits couvercles et percées de canaux (6) à travers chacun desquels passe un élénent de guidage précité en formant entre lui et la paroi du canal correspondant un intervalle, caractérisé en ce que l'intervalle entre l'élément (2) dudit ajutage et ladite paroi du canal (6) à la sortie de ce dernier (dans le sens d'écoulement du fluide sur cet élément) ne dépasse pas une valeur correspondant à l'épaisseur du film continu de ce fluide s'écoulant sur la surface de guidage de l'élément (2) de l'ajutage, chaque élément(2) de l'ajutage étant relié d'une manière mobile et élastique à au moins à l'un des couvercles du corps (1) du dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque canal présente un biseau réalisé au noms à sa sortie (dans le sens d'écoulement dudit fluide sur 1'élément de guidage correspondant), ledit biseau formant, entre l'élément de l'ajutage et la paroi du canal à sa sortie, un intervalle dont la valeur ne dépasse pas enldron 1,5 mm. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque élément de l'ajutage a une forme ondulde.