Brevet FR2500143A1 — publié le 19820820

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur utilisant l'énergie fournie lors du changement de phase liquide/vapeur ou vapeur/liquide de certains fluides et,plus particulièrement, ceux utilisés dans les machines frigorifiques et/ou pommes à chaleur. Dans les machines de ce type les échangeurs de chaleur sont ou bien construits et dimensionnés en vue de jouer un rôle spécifique prédéterminé, soit comme évapora- teur, soit comme condenseur, ou bien réalisés de façon à servir aussi bien d'évaporateur que de condenseur. Dans le cas o l'échangeur de chaleur est conçu pour être employé exclusivement comme évaporateur, il est sous-utilisé du fait qu'il n'est rempli qu'à moitié de li- quide en général et aux 2/3 au maximum, afin d'éviter des "coups de liquide" au compresseur. Les 2/3 seulement, voire la moitié,de la surface d'échange de l'évaporateur lorsque le débit de fluide dimi- nue, sont donc utilisés. En outre, du fait que l'échange se fait au niveau de surfaces froides réduites, la formation de givre est favorisée dans le cas des évaporateurs à air ce qui nuit bien entendu au rendement. Dans le cas des condenseurs conçus essentiellement comme tels, il faut, pour des raisons technologiques, que les vapeurs arrivant au condenseur soient complètement con- densées à la sortie. Il en résulte un sous-dimensionnement augmentant les coûts de revient de ces échangeurs. Enfin, actuellement, l'utilisation de machines frigorifiques réversibles oblige à réaliser des échangeurs qui soient un compromis entre évaporateur et condenseur, puisque devant fonctionner aussi bien en évaporateur qu'en condenseur, et qui, de ce fait, outre les inconvénients des échangeurs spécifiques rappelés ci-dessus, ont un mauvais rendement. Le but de la présente invention est de palier ces divers inconvénients en proposant une nouvelle struc- ture d'échangeurs de chaleur permettant les échanges ther- miques sur toute la surface utile des échangeurs avec un rendement sensiblement accru. A cet effet, l'invention a pour objet un échangeur -2- de chaleur pour machines frigorifiques et/ou pompes à chaleur caractérisé en ce aue le réseau tubulaire d'échange de cha- leur comporte une structure annulaire capillaire appliquée contre la paroi interne des éléments tubulaires dudit réseau et sur toute la longueur de ceux-ci de préférence. Avantageusement le collecteur de la phase liquide de l'échangeur comporte également une telle structure annu- laire capillaire appliquée contre la paroi interne du col- lecteur. Suivant un mode de réalisation préféré, la struc- ture capillaire est constituée par un jeu de fibres en maté- riau approprié, oarallèles à l'axe des éléments tubulaires concernés, réparties régulièrement en anneau les unes con- tre les autres et plaquées par tous moyens appropriés contre la paroi interne desdits éléments tubulaires. Un tel agencement du réseau tubulaire d'échange de chaleur permet, grâce & l'effet de mèche procuré par la structure capillaire, une excellente répartition de la phase liquide sur toute la surface de la paroi interne du réseau tubulaire, ce qui améliore substantiellement le rendement des échanges thermiques. Par ailleurs, en réalisant des évaporateurs à air avec une telle structure capillaire, on constate que la for- mation du givre n'apparait que pour une température de l'air inférieure de 4 à50C par rapport à celle pour laquelle le givre se forme sur des évaporateurs traditionnels, du fait d'une répartition plus uniforme des températures sur toute la surface utile du réseau tubulaire d'échange de l'évapo- rateur. D'autres caractéristiques et avantages ressorti- ront de la description qui va suivre de modes de réalisation d'échangeurs suivant l'invention, description donnée à ti- tre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexes sur lesquels Fig. 1 représente une coupe schématique d'un échangeur conforme à l'invention et pouvant fonctionner en évapo- rateur ou en condenseur; - Fig. 2 représente une vue en section transversale d'un élément tubulaire de l'échangeur de la Fig. 1; -3- Fig. 3 représente une coupe longitudianle partielle d'un élément tubulaire de l'échangeur de la Fig. 1; - Fig. 4 représente une coupe schématique d'un évaporateur conforme à l'invention, et - Fig. 5 représente une coupe schématique d'un condenseur également conforme à l'invention. L'échangeur de la Fig.1 comporte deux collecteurs 1 et 2 reliés par un réseau de tubes 4 d'échange de chaleur, parallèles et identiques, en matériau bon conducteur thermi- que tel que le cuivre par exemple. Conformément à l'invention, tous les tubes 3 com- portent une structure annulaire capillaire 4 sur toute leur longueur,de même que le collecteur de la phase liquide (col- lecteur 1 sur la Fig.) du fluide caloporteur(ou frigorigène). Les Fig. 2 et 3 illustrent un mode de réalisation de ladite structure annulaire capillaire 4 suivant lequel cette structure est constituée par un certain nombre de fi- bres individuelles 5 identiques, libres entre elles tout en étant en contact les unes les autres et avec la paroi interne du tube (1 ou 3) et confinées dans un espace annulaire par tous moyens appropriés. La répartition des fibres 5 est uni- forme, l'épaisseur de la couche annulaire étant dans une proportion déterminée par rapport au diamètre du tube afin d'avoir une circulation et un débit appropriés du fluide en phase liquide dans les conduits 1 et 3. Les fibres 5 tapissent la paroi interne de ces derniers sur toute leur lonaueur utile et sont appliquées contre la paroi des tubes par exemple par un élément héli- coidal 6 (Fig. 3) formant ressort,engagé dans la partie cen- trale des tubes (3,1). Cet élément hélicoïdal 6 pourrait bien entendu être remplacé par tous autres organes susceptibles de pla- quer les fibres 5 contre la paroi tels que des anneaux par exemple.. Les fibres 5 et les organes de maintien 6 sont en matériau métallique ou plastique, ou autre, compatible avec la nature du fluide circulant dans l'échangeur. Le diamètre des fibres 5 peut varier dans la mesu- re o les espaces interstitiels entre fibres permettent d'ob- - 4 - tenir l'effet de capillarité recherché pour le fluide calo- porteur ou frigorigène considéré. Les fibres 5 disposées dans le collecteur 1 assu- rent une répartition uniforme du liauide vers les tubes échan- geurs 3 cependant que les fibres 5 de ces derniers permettent au liquide de "mouiller" toute la surface utile des tubes 3 et assurent donc un échange thermique maximal entre le fluide en phase licuide en contact avec la paroi interne des tubes 3 et le fluide extérieur. Lorsque le fluide de travail arrive en phase liqui- de en 1 et repart en phase gazeuse en 2, l'échangeur travail- le en évaporateur et refroidit le fluide (par exemple de l'air) circulant en 7 entre les tubes 3. Le fluide circulant dans les tubes 3-est alors appelé frigorigène. Si, au contraire, le fluide de travail arrive en phase gazeuse en 2 et repart par 1 en phase liquide, le fluide est caloporteur et cède une partie de ses calories au fluide circulant en 7. Lorsque ce dernier est de l'air on peut avantageusement munir extérieurement les tubes 3 d'ailettes en aluminium ou autre matériau bon conducteur de la chaleur. L'échangeur travaille alors en condenseur. La phase liquide se répartit sur les tubes 3 au fur et à mesure qu'elle se forme et est évacuée et la structure capil- laire 4 assure ainsi une bonne répartition de la température et améliore d'autant les échanges thermiques. Ainsi, un échangeur tel que celui de la Fig. 1 travaillant en évaporateur a une efficacité bien supérieure à celle des évaporateurs traditionnels dont le remplissage des tubes d'échange en phase liquide est de l'ordre habituel- lement de la moitié et au maximum des 2/3 alors que, grâce à la structure capillaire 4 selon l'invention dans l'évapo- rateur agencé suivant la Fig. 1, toute la surface interne des tubes d'échange 3 est en contact avec la phase liquide, de manière uniforme, grâce à l'effet de mèche capillaire. On supprime donc, en outre, dans le cas o le fluide circu- lant en 7 est de l'air, l'apparition prématurée de points froids engendrant la formation de givre sur les tubes 3. Il a été ainsi constaté qu'avec un évaporateur selon l'inven- -5-_ tion la formation de givre n'apparaissait que pour une tem- pérature de l'air circulant en 7 inférieure de 4 à 50C à celle à laquelle apparaît le givre habituellement sur les évaporateurs classiques. De plus, dans le cas de l'évaporateur, les forces de capillarité engendrées par la structure 4 affinent le réglage de l'organe de détente placé en amont dans le circuit du fluide frigorigène. Ceci permet d'utiliser des organes de détente simples et robustes et, par exemple, de remplacer un détendeur thermostatique par un tube calibré en longueur et en diamètre. L'échangeur représenté sur la Fig. 1 fonctionnant indifféremment en évaporateur ou en condenseur, améliore le coefficient de performance des machines réversibles dans des proportions substantielles (de l'ordre de 30 à 40 %). La Fig. 4 illustre un échangeur suivant l'invention conçu essentiellement pour fonctionner en évaporateur. Le fluide frigorigêne arrive en phase liquide dans le collecteur 8 comportant intérieurement une structure ca- pillaire 4 comme le collecteur 1 de la F îg.1. Le fluide est réparti en débit identique pour chaque tube d'échange 9 éga- lement muni intérieurement d'une structure annulaire capil- laire 4 sur toute sa longueur. Ces tubes 9 sont en cul-de-sac. Le liquide est ré- parti le long de chaque tube 9 uniformément et s'évapore totalement et uniformément sous l'effet de la chaleur appor- tée par le fluide circulant en 10. La vapeur produite est collectée par des conduits il piqués sur le collecteur 12 d'évacuation de la phase gazeuse et engagés dans l'extré- mité des tubes 9 coaxialement à ces derniers. La Fig. 5 représente schématiquement un échangeur conforme à l'invention, conçu pour travailler essentielle- ment en condenseur. Le fluide caloporteur arrive en phase gazeuse dans le collecteur 13, se condense en phase liquide au con- tact avec la paroi interne, pourvue d'une structure annu- laire capillaire 4, des tubes d'échange 14 et ressort en phase liquide par le collecteur 15 également muni d'une structure annulaire capillaire 4 conforme à l'invention. - 6 - Des conduits 16 piqués sur le collecteur 13 d'amenée en phase liouide du fluide caloporteur et engagés chacun dans l'extré- mité d'un des tubes 14, coaxialement à ceux-ci, permettent de répartir uniformément le fluide caloporteur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment celles concernant la nature du matériau constitutif des fibres 5, leur dimensionnement, leur distribution le long de la paroi interne des organes tubulaires d'échange et collecteurs de la phase liquide du fluide de travail ainsi que les moyens pour plaquer ou contenir lesdites fibres contre la paroi interne desdits organes tubulaires. Par ailleurs, ladite structure capillaire peut être réalisée par d'autres moyens que des fibres individuelles pa- rallèles. Elle peut être ainsi constituée par un treillis ou analogue métallique ou en matière plastique roulé sur lui- même à la manière d'un rouleau de papier, sur une ou plusieurs couches, le rouleau ainsi formé étant introduit dans le tube à garnir et se plaquant par lui-même par effet de ressort contre la paroi interne du tube sans organe auxiliaire de maintien. Enfin, la structure capillaire peut ne garnir qu'une partie des tubes concernés en ce sens au 'on peut se dispenser de prévoir une telle structure sur toute l'étendue des parties des tubes o est présente en permanence le fluide de travail en phase liquide. -7- R E V E N D I C A T I O N S 1. Echangeur de chaleur pour machines frigorifiques et/ou pompes à chaleur, caractérisé en ce que le réseau tubu- laire (3) d'échange de chaleur comporte une structure annu- laire capillaire (4) appliquée contre la paroi interne des éléments tubulaires dudit réseau et sur toute la longueur de ceux-ci de préférence. 2. Echangeur suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que le collecteur (1) de la phase liquide de l'é- changeur comporte également une telle structure annulaire capillaire (4) appliquée contre la paroi interne du collec- teur. 3. Echangeur suivant la revendication 1 ou 2 carac- térisé en ce que la structure capillaire (4) est constituée par un jeu de fibres libres (5) en matériau approprié, pa- rallèles à l'axe des éléments tubulaires concernés (3), réparties régulièrement en anneau,les unes contre les autres et plaquées par tous moyens appropriés (6) contre la paroi interne desdits éléments tubulaires. 4. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 3, et plus particulièrement destiné à fonctionner en évapo- rateur, caractérisé en ce que les tubes d'échange (9) munis de leur structure annulaire capillaire (4) sont branchés en cul-de-sac sur le collecteur (8) d'arrivée du fluide de tra- vail en phase liquide, également muni de la structure annu- laire capillaire (4), le collecteur (12) d'évacuation en phase gazeuse du fluide de travail étant relié auxdits tubes d'échange (9) par l'intermédiaire de conduits (11) en- gagés dans le débouché des tubes d'échange coaxialement à ceux-ci. 5. Echangeur suivant la revendication 4 caracté- risé en ce que le collecteur (8) d'amenée en phase liquide du fluide de travail comporte en amont un organe de détente constitué par un tube calibré en longueur et en diamètre. 6. Echangeur suivant l'une des revendications 1 à 3 et plus particulièrement destiné à fonctionner en conden- seur, caractérisé en ce que les tubes d'échange (14) munis 250O0143 - 8 - de leur structure annulaire capillaire (4) sont branchés en cul-de-sac sur le collecteur (15) d'évacuation en phase li- quide du fluide de travail, également muni de ladite struc- ture annulaire capillaire, le collecteur (13) d'amenée en phase vapeur du fluide de travail étant relié auxdits tubes d'échange (14) par l'intermédiaire de conduits (16) engagés dans le débouché des tubes d'échange coaxialement à ceux-ci. 7. Echangeur suivant l'une des revendications 3 à 6 caractérisé en ce que lesdits moyens pour plaquer les fibres (5) contre la paroi interne des éléments tubulaires (1,3,9,11,14,15) sont constitués par un organe élastique hé- licoidal ou annulaire (6) engagé à l'intérieur des tubes. 8. Echangeur suivant l'une des revendications 1, 2 et 4 à 6, caractérisé en ce que ladite structure capillaire (4) est constituée par un treillis ou analogue roulé sur lui- même en une ou plusieurs couches et plaqué par effet de res- sort sur la paroi interne des tubes concernés.