Brevet FR2528163A1 — publié le 19831209

La présente invention concerne un échangeur de chaleur à taux d'échange très élévé et à,perte de charge relativement faible pour tous fluides en géné- ral et plus particulièrement pour la récupération de la chaleur dans les gaz de combustion ou des gaz chauds provenant de fours ou sécheurs. On connait principalement des échangeurs de chaleurs à faisceau tubulaire, à serpentins, à plaques et même à canaux annulaires Pour tous ces échangeurs le taux d'échange de chaleur entre deux fluides séparés par une paroi est, toutes autres conditions égales, fonction du régime d'écoulement qui est défini "turbulent" ou "non-turbulent", ce dernier étant souvent synomyine de "laminaire". 1.0 Le régime turbulent provoque le renouvellement des couches limites et de ce fait le transfert de chaleur Le régime turbulent est obtenu par une augmentation de la vitesse des fluides ou par l'insertion d'obstacles sur le parcours. Or, ce régime turbulent, défini comme des déplacements desordonnés de petits volumes des fluides dans toutes les directions et à des vitesses variables, conduit à des heurts de ces masses turbulentes et constitue de ce fait un gaspil- lage d'énergie En effet, ces turbulences concernent la totalité de la masse des fluides alors que les couches limites visées ne constituent qu'un très faible pourcentage de la masse totale des fluides. D'après les lois thermodynamiques qui s'appliquent à ce domaine le taux de transfert de chaleur est dans les cas les plus favorables proportionnel aux débits des fluides, donc à leur vitesse d'écoulement devant les surfaces d'échange. Mais l'on sait que l'énergie à fournir augmente avec le cube du débit en cas de régime turbulent considéré en l'occurence et que l'on trouve également dans tous/ cas des échangeurs à canaux annulaires. Il en résulte que pour doubler le taux de transfert de chaleur il faut multi- fait plier par huit la force-motrice à mettre en oeuvre, ce qui/rapidementplafonner les vitesses, donc le taux d'échange, à la limite économique En effet, on ne peut pas dépenser I k Wh de courant électrique pour échanger ou récupérer 3 k Wh sous foi d'énergie thermique, étant donné que le k Wh est 3 fois plus cher Le bilan serait negatif en raison des frais accessoires. La présente invention vise le renouvellement rapide, donc un taux d'échange élevé sans engendrer des turbulences de la totalité de la masse des fluides. Elle met en application deux lois physiques,dont l'une stipule que tout mouvement persiste s'il n'est pas fréiné (loi d'inertie), ce qu'est le cas de mouvements giratoires engendrés dans des canaux annulaires formés par des cylindres co-axiau> à condition de respecter certaines conditions a savoir: grande distance entre les cylindres parfaite rotondité des cylindres surfaces lisses admission des fluides tangentiellement dans un ccilletteir L'autre loi physique concerne les mouvements secondaires transversaux engendrés dans certaines conditions par tout mouvement giratoire d'un fluide limité par une paroi concave Ces mouvements secondaires de roulages codirection- nels, dûs à la force centrifuge,constituant le "phénomène Couette" (ou plus exacte- ment: "Couette-G 6 rtler") se trouvent expliqués sur la planche 1. La fig I montre le secteur d'un canal annulaire dans lequel circule un fluide en mouvement giratoire Ce dernier peut être provoqué par la rotation de la paroi concave (expérience Couette) ou par une alimentation tangentielle du fluide (hypothèse Gôrtler expérimentalement confirmée par Liepmann en 1943) On remarque la tendance du fluide à dévier de la direction circulaire en direction tangentielle. La fig 2 montre un canal annulaire dans lequel s'écoule un fluide animé d'un mouvement giratoire, lequel a engendré un régime stable de mouvements secondaires, transversaux sous forme de rouleaux (ou d'anneaux) à rotation codirectionnelle. La fig 3 montre ces rouleaux en perspective. Ces mouvements primaires aussi bien que secondaires ont la particularité de con- server leur régime non-turbulent à des "vitesses relatives" très élevées pouvant dépasser plus de dix fois les vitesses limites de changement de régime non-turbu- lent en turbulent, des mêmes fluides, s'écoulant dans les mêmes canaux annulaires mais régime rectiligne donc non-giratoire. Sous l'expression "vitesse relative" il faut entendre la vitesse de passage du fluide devant la paroi concave Celle-ci peut être 10 à 20 fois supérieure à la vitesse de translation du fluide qui résulte du débit volumique dans la section du canal annulaire par unité de temps. En dehors de l'application technologique de ces deux lois physiques, la pré- sente invention met en oeuvre l'action d 'une soupape à obturation périodique d'un circuit aéraulique convenablement conçu. Toute soupape à ouverture et fermeture périodique provoque des pulsations d'un fluide en circulation traversant cette soupape Si ce fluide est compressible et véhiculé par un ventilateur, il se trouve à la fermeture de la soupape sur- pressé à la pression maximum fournie par le ventilateur tout en accumulant cette pression dans la capacité alimentée d'un coté mais obturée à la sortie A l'ouver- ture de la soupape la capacité (collecteur) décharge le volume accumulé à une vitesse correspondant à sa surpression et à la section de l'orifice de sortie. Dans le cas des échangeurs, objet de la présente invention, les pulsations se superposent au régime giratoire mentionné de deux façons: les rouleaux co-directionnels se trouvent déplacés parallèlement aux parois des cylindres l'augmentation passagère de la pression augmente la vitesse de rotation du fluide dans les canaux annulaires, sans pour autant faire appel à une énergie supplémentaire étant donné quela surpression du fluide est accompagnée d'une diminution du débit. -28163 Les deux actions mentionnées augmentent la vitesse relative entre fluides et parois d'échange et par conséquent par l'entraînement la vitesse de renouvelle- ment des couches, dont le taux de transfert de chaleur Tous ces mouvements ne modifient pas le régime d'écoulement de la masse prépondérante des fluides qui reste non-turbulent et de ce fait ne gaspille pas d'énergie. Les soupapes provoquant ces pulsations peuvent être soit mécaniques soit pneumatiques Dans le permier cas on commande la rotation d'un disque ("papillon" ou d'une plaque obturant la section de sortie des collecteurs, dispositifs fixés sur un arbre, par un moteur comme indiqué planche 2 N O 5 et 10. Dans le deuxième cas, soupape pneumatique, on provoque de très fortes turbu- lences par l'inversion brusque du courant sortant en régime giratoire d'un canal annulaire pour le guider dans un autre canal annulaire en direction opposée soit à 1800. Le principe de fonctionnement d'une telle soupape pneumatique se trouve ex- posé sur la planche N 03 qui montre deux canaux annulaires, coaxiaux, contigus et assemblés de façon à inverser brusquement, c a d avec un petit rayon de cour- bure, la direction d'écoulement du fluide. Sur cette planche fig 1 montre une alimentation radiale, le fluide circulant dans les canaux annulaires en régime rectiligne Dans ce cas l'inversion de la direction ne produit aucune turbulence sujette à des variations périodiques. Les fig 2 et 3 montrent une alimentation tangentielle engendrant un écoule- ment giratoire du fluide On constate sur fig 2 une vitesse plus élevée au voisi- nage des courbures concaves des cylindres, provoqué par la force centrifuge. Fig 3 montre que dès l'établissement d'une certaine vitesse le courant bute contr E l'inverseur en raison de son inertie, ce qui engendre des turbulences dont l'inter sité est toujours égale au pouvoir manométrique maximum du ventilateur à sa vitess de fonctionnement Ces turbulences constituent un obstacle infranchissable par le fluide,il en résulte pendant une fraction d'une seconde un débit nul, constituant la position fermeture de la soupape A débit nul les turbulences disparaissent instantanément et il en résulte la position ouverture de la soupape pneumatique. Les battements de la soupape pneumatique sont fonction: des débits, des dimensions des canaux et des courbes caractéristiques des ventilateurs Pour des débits allas de 3 000 à 30 000 m 3/heure on constate que les pulsations ainsi engendrées se situent entre 70 et 7 Hz. Grace au fonctionnement des soupapes les collecteurs des -changeurs jouent le rôle d'un réservoir d'air surpressé, dont l'action est en l'occurvnce assimila- ble à celle d'un res sort ou d'an ptndule qu; _w 1 bistu à iestituer l'énergie accumulée. La planche 3 ayant exposé le principe de fonctionnement de la soupape pneu- matique la planche N 04 présente le schéma d'une réalisation u'un échangeur dont les numéros désignent les éléments suivants: I et 2 cylindres formant le canal annulaire 6 2 et 3 cylindres formant le canal annulaire 7 3 et 4 cylindres formant le canal annulaire 8 4 et 5 cylindres formant le canal annulaire 9 inverseur siège de la soupape pneumatique pour un fluide il inverseur siège de la soupape pneumatique pour l'autre fluide 12 collecteur de sortie du fluide primaire 13 collecteur d'entrée du fluide secondaire 14 collecteur de sortie du fluide secondaire collecteur d'entrée du fluide primaire 16 calorifugeage Il est précisé que le cylindre N 03 est également calorifugé afin de ne pas échanger de la chaleur avec lui nmme mais uniquement avec le fluide primaire. Un fonctionnement identique est obtenu avec l'échangeur avec deux canaux annulaires selon planche N 02 dont les numéros désignent les éléments suivants: 1 alimentation du fluide primaire 2 collecteur à l'alimentation du fluide primaire 3 canal annulaire du fluide primaire avec schéma du roulage co-directionnel 4 collecteur de sortie du fluide primaire soupape rotative commandée par moteur 6 alimentation du fluide secondaire 7 collecteur à l'alimentation du fluide secondaire 8 canal annulaire du fluide secondaire 9 collecteur de sortie du fluide secondaire soupape rotative commandée par moteur Conformement à la présente invention on peut également combiner une soupape pneumatique constituée par les deux canaux contigus avec une soupape mécanique équipant la sortie du deuxième fluide comme indiqué schématiquement sur la planche N 05 Une telle solution permet d'opérer avec un inverseur sur le canal extérieur executé sous forme d'un demi-tor à très grand rayon, lequel, contrairement à celui des canaux contigus n'engendre pas des turbulences a reéime périodique Celles-ci seront donc engendrées par la soupape mécanique. La réalisation d'un échangeur de chaleur selon planche N 02 ne comporte aucun problème particulier pour un homme de metier. En revanche la construction d'un échangeur à quatre canaux dont deux et deux communiquent entre eux par un inverseur implique un certain mode opératoire qui se trouve expliqué par la planche N 06 On constate que l'emplacement judicieux des brides permet le montage des divers cylindres En particulier la cale annu- laire I permet le montage du cylindre 2 muni d'un divergeant ainsi que le passage du cylindre calorifugé et épais 3, tout en assurant l'étanchéité après assemblage. L'échangeur selon la présente invention comporte les avantages suivants: taux d'échange très élevé allant jusqu'à dix fois plus que le taux habituel dans les même conditions de différences de températures, perte de charge sensiblement inférieure à celle des échangeurs habituels, insensibilité aux poussières en raison de pulsations qui balayent toutes les surfaces ainsi qu'en raison de l'absence de lieux de décantation poids sensiblement inférieur à celui des échangeurs habituels encombrement inférieur à celui des échangeurs habituels. Par conséquent cet appareil peut être réalisé économiquement en acier résistant aux acides et utilisé au refroidissement des gaz de combustion conte- nant du soufre ("fumées") jusqu'à la condensation de la vapeur d'eau produite par la combustion des combustibles contenant de l'hydrogène. Refroidissement poussée et condensation apportent d'une part une économie de combustible allant de 10 à 30 %, selon la situation des déperditions préalables et d'autre part une facilité pour le traitement ultérieur de ces "fumées" dans l'intéi rgt de la lutte contre les nuisances. REVENDICATIONS 1) Echangeur de chaleur pour fluides composé de cylindres co-axiaux assemblés de façon à constituer entre eux des canaux annulaires, dans lesquels circulent les fluides animés d'un mouvement giratoire grace à l'alimentation tangentielle de collecteurs de sections sensiblement plus grandes que celles des canaux annulaires et se trouvant aménages du coté d'entrée des fluides dans les canaux annulaires. 2) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des collecteurs se trouvent amenagés ducoté de sortie de l'un et/ou de l'autre canal annulaire. 3) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un et/ou l'autre des deux collecteurs de sortie selon revendication 2, sont obturés périodiquement. 4) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux canaux annulaires (planche 4 N 7 et 8), co-axiaux, contigus et communiquants- par une extrémité sont constitués par l'insertion d'un cylindreséparateur (planche 4 N 3) dans un espace annulaire formé par l'assemblage de deux cylindres (planche 4 N 2 et 4). ) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cylin- dre-séparateur ( 3) selon la revendication 3, est constitué par une double paroi formant un espace annulaire indépendant et complètement isolé du fluide circulant dans les deux canaux annulaires ( 7 et 8) contigus, assurant ainsi leur isolation thermique. 6) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le'cylin- dre-séparateur ( 3) selon la revendication 3, est constitué ou couvert d'un maté- riau de faible conductibilité thermique. 7) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'assem- blage des deux cylindres (planche 4 N 2 et 4) selon la revendication 3, est effectué par un cercle ou une couronne (planche 6 N 1) de largeur suffisante pour permettre le montage coaxial des cylindres. 8) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cylin- dres ( 2 et 4) selon revendication 6, sont prolongés l'un cone divergeant et l'autre d'un cone convergeant. 9) Echangeur de chaleur selon revendication 1, caractérisé en ce que l'assemblage des deux cylindres (planche 4 N I et 5) formant deux canaux annulaires avec les J 5 cylindres (planche 4 N 2 et 4) mentionnés dans la revendication 3, se fait par un demi-tor fixe par brides ou par soudure sur les cones divergeant et convergeant prolongeant les cylindres respectifs.