Brevet FR2541762A1 — publié le 19840831

"Echangeur e chaleur". L'invention a pour objet un échangeur de chaleur devant absorber des densités d'énergie de valeurs différentes par convection ou rayonnement sur ses parois de passage de cha- leur. De tels échangeurs de chaleur sont utilisés par exemple dans les foyers à rayonnement et dans les capteurs pour l'utilisation de l'énergie solaire avec des systèmes de concen- tration sur des lignes ou des points Sous la désignation d'é- changeur de chaleur, il y a lieu de comprendre un corps creux présentant une section de forme quelconque et recevant un fluide en écoulement, la section pouvant, le cas échéant, varier sur la longueur de l'échangeur de chaleur. La capacité de charge des échangeurs de chaleur des capteurs de rayonnement et d'autres éléments de construction exposés à des températures élevées est le plus souvent considé- rablement réduite lorsque la sollicitation thermique n'est pas uniforme et que celle-ci provoque des températures de parois de valeurs différentes La charge admissible de tels composants ne dépend plus alors de la température maximale que les matériaux peuvent supporter sur une longue période, mais des contraintes provoquées par les différences de température Contrairement aux contraintes qui résultent de la charge de service proprement dite et que l'on ne peut pas en général modifier, les contraintes ré- sultant d'une arrivée de chaleur en partie non uniforme peuvent dans bien des cas être réduites. Les surfaces des échangeurs de chaleur dirigées vers le rayonnement direct subissent une charge thermique nette- ment plus élevée que les parois arrière de ces échangeurs de chaleur Mais la charge du tube proprement dite ne provient pas seulement des températures de parois élevées du côté du tube soumis au rayonnement direct Les contraintes critiques sont provoquées surtout par les deux valeurs minimales entre les sec- teurs soumis au rayonnement direct et les secteurs soumis au rayon nement de la paroi réfléchissante, ce qui entraine des gradients de température fortement variables sur le pourtour du tube. -2- Si les températures de valeurs différentes sur le pourtour du tube croissaient et décroissaient linéairement en- tre un minimum et un maximum, on pourrait éliminer dans une large mesure les contraintes induites par voie thermique par une suspension exempte de forces et de moments Cependant, cela ne constitue pas une solution suffisante du problème, notamment lorsqu'il y a deux valeurs minimales. Dans certains domaines d'application, par exemple dans les centrales électriques à tour solaire, les échangeurs de chaleur sont soumis à un grand nombre d'alternances de char- ge thermique résultant du cycle jour-nuit et de la nébulosité ir- régulière qui affecte le rayonnement solaire Il est clair que ces cycles de charge et de décharge provoquent une charge dyna- mique supplémentaire des échangeurs de chaleur et réduisent en conséquence les possibilités d'utilisation des caractéristiques des matériaux. Pour réduire les contraintes dûes à des sollicita- tions thermiques, on connait, outre la suspension des échangeurs de chaleur sans encastrement déjà mentionnée, également un mode de construction avec précintrage avec lequel on maîtrise mieux les déformations qui se produisent. On essaie en général de réduire les contraintes thermiques provenant de cycles thermiques par allongement dans le temps des phases de chauffage et de refroidissement Des ins- tallations onéreuses pour le maintien de la température sont alors souvent nécessaires. Une disposition tout à fait efficace pour abaisser les différences de température entre le côté d'arrivée du rayon- nement et le côté arrière consiste à prévoir des écrans en céra- nique qui sont disposés devant les échangeurs de chaleur et qui arrêtent une partie du rayonnement direct, Cependant, une telle protection implique des températures relativement élevées des écrans qui rayonnent à ces températures élevées une quantité d'énergie d'importance correspondante à l'extérieur du capteur. 3 = D'après les concepts actuels, les températures différentes qui s'établissent par exemple sur le pourtour de tubes d'échangeurs de chaleur de capteurs de centrales élec- triques solaires sur tour, ne doivent pas être égalisées par recouvrement passif du côté exposé au rayonnement, màis par évacuation de chaleur réduite du côté arrière, c'est-à-dire du côté frais, des tubes d'échange et par une fourniture de cha- leur accrue au fluide caloporteur par le côté soumis au rayonne- ment direct ou côté chaud du tube, L'invention a pour but d'indiquer des dispositions efficaces pour égaliser les contraintes de température et les contraintes thermiques dans les échangeurs de chaleur du type mentionné dans le préambule, ces dispositions restant, d'une part sans conséquences fâcheuses pour le fonctionnement et le procé- dé et se distinguant d'autre part, par une faible dépense tech- nique de fabrication. A cet effet, l'invention concerne un échangeur de chaleur du type cidessus caractérisé en ce que la section de l'échangeur de chaleur est divisé au moyen d'éléments encastrés en au moins deux conduits de passage de manière à réduire ou supprimer les différences de température ou les contraintes thermiques de la paroi résultant des densités d'énergie élevées et différentes On obtient ainsi une large égalisation des tem- pératures sur la paroi de l'échangeur de chaleur, ce qui élimine les contraintes thermiques nuisibles. Le débit massique du fluide caloporteur doit éva- cuer la totalité de la chaleur amenée La forme et la grandeur des sections individuelles, et par suite chacun des débits mas- siques, doivent être ajustés aux débits de chaleur passant par les différentes sections de manière que les parois des tubes présentent sur leur pourtour des températures à peu près uni- mes Les conduits les plus petits ou les plus étroits, qui sont affectés aux parois recevant la plus faible quantité d'éner- gie ont, outre un faible débit massique résultant de la section, également une plus faible vitesse dans cette section par suite de 4 2541762 la plus grande résistance à l'écoulement Ils ont donc une capacité de transmission de chaleur plus faible que les dé- bits massiques plus importants et plus rapides qui passent dans les grandes sections. L'égalisation recherchée entre des températures de paroi différentes sur le pourtour du tube est en outre ren- forcée en ce que les éléments encastrés sont réalisés sous forme de tôles dont les surfaces présentant des pouvoirs réflé- chissant et absorbant différents Les pouvoirs absorbants des surfaces de matériaux réfractaires en alliages Ni-Cr sont com- pris entre 80 et 95 % dans la gamme de températures comprises entre 750 et 9000 C Dans de telles conditions de fonctionne- ment, des flux de chaleur importants sont transmis par rayonne- ment-de la paroi intérieure du tube à la tôle directrice Dans un but d'égalisation des températures, la paroi arrière sollici- tée avec une plus faible densité de flux de chaleur doit rayon- ner moins de chaleur sur la tôle que la paroi avant du tube qui reçoit davantage d'énergie Cela est obtenu par exemple par des coefficients d'absorption plus faibles de la surface de tôle dirigée vers le côté arrière du tube Une telle modification des propriétés optiques n'entraîne qu'une dépense technique relati- vement faible pour la fabrication de la tôle directrice On peut citer à titre d'exemple à ce sujet l'aluminiage unilatéral de la tôle directrice pour obtenir des coefficients de réflexion de 40 à 50 % ainsi que d'autres revêtements résistant aux tempé- ratures élevées et donnant des caractéristiques optiques compara- bles Une modification des coefficients d'absorption ou des pou- voirs émissifs correspondantau côté arrière de la paroi intérieu- re du tube donnerait en principe des effets similaires, mais se- rait incomparablement plus onéreuse. Les éléments encastrés en tôle présentent non seul lement l'avantage précédemment décrit et consistant à assurer une égalisation des températures sur le pourtour de la paroi du tube, mais aussi l'avantage d'augmenter la surface associée au trans- port-de la chaleur Il en résulte, d'une part, une diminution 2541762- -5- de la température maximale de la paroi du tube, et d'autre part une augmentation de la quantité de chaleur qui peut être trans- mise au fluide caloporteur, ce qui est important notamment pour l'utilisation de la chaleur captée Avec une même puissance thermique des échangeurs de chaleur, il suffit en conséquence d'avoir une plus faible longueur de tube et de plus faibles di- mensions constructives Inversement, on peut avoir une plus grande puissance thermique avec les mêmes dimensions construc- tives Les plus faibles températures de pointe permettent en outre d'avoir une plus grande durée de vie de l'échangeur de chaleur. Pour agir encore de façon intentionnelle sur la transmission de chaleur au fluide caloporteur, on peut profiler les éléments encastrés et/ou le tube de l'échanfgeur de chaleur ou les munir de nervures longitudinales On peut obtenir une amélioration supplémentaire de l'évacuation de la chaleur des tubes en munissant les éléments encastrés de nervures ou d'ondu- lations s'étendant de façon sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale, ces nervures ou ces ondulations provo- quant une turbulence supplémentaire du fluide cn écoulement. En fonction de la réalisation de l'échangeur de chaleur, il peut se produire un échange de rayonnement des rayons directs entre les parois chaudes et les parois froides de l'échangeur de chaleur Si l'on veut conserver cet échange, on réalise les éléments encastrés sous forme de tôles perforées ou sous forme de toile métallique On peut ainsi conserver une certaine partie de l'échange de rayonnement direct. Pour adapter par réglage, de façon optimale et automatique, le débit massique à une variation des conditions d'intensité de rayonnement, on peut suivant un autre mode de réalisation de l'invention munir l'élément encastré ou son sup- port de mécanismes de réglage par exemple d'éléments bimétalli- ques, qui, lorsqu'il se produit des différences de température des parois, modifient la position de l'élément encastré et par suite la forme et la grandeur des conduits d'écoulement, de manière à réduire encore les différences de température. 254176 Z -6- Il n'est pas obligatoire que les éléments en- castrés s'étendent sur toute la longueur des tubes des échan- geurs, ils peuvent très bien, au contraire, n'être utilisés que par tronçons dans les zones o* les densités de flux de chaleur-sont-élevées. Les éléments encastrés ainsi que la forme des conduits d'écoulement peuvent en outre être déterminés pour n' entrainer qu'une résistance à l'écoulement supplémentaire minimale pour le fluide en écoulement, ce qui est obtenu par -10 exemple, par des surfaces planes et lisses ainsi qu'en prévoyant une surface du conduit d'écoulement aussi faible que possible en contact avec le fluide. On va maintenant décrire l'invention plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels la f ig 1 est une vue en coupe transversale d'un tube d'échangeur de chaleur avec l'indication du rayonnement agissant sur lui; _ la f ig 2 est une vue en élévation d'un capteur de centrale électrique solaire sur tour; la f ig -2 a est une coupe transversale correspon- dant à la fig 2; -la f ig 3 est une coupe transversale d'un échangeur de chaleur cylindrique * -la f ig 4 est une coupe transversale d'un échan- geur de chaleur à -rapports de sections variables-; -la f ig 5 est une coupe transversale d'un échan- geur de chaleur à section rectangulaire. La f ig 1 représente un exemple de répartition du rayonnement incident sur un tube d'échangeur de chaleur 10 re- présenté en coupe transversale Le rayonnement direct il arrive dans la zone supérieure 12, la longueur des flèches constituant une mesure de l'intensité du rayonnement. Si une -paroi réfléchissante 14 est disposée en arrière de l'échangeur de chaleur 10, le côté arrière 15 de l'é- changeur -de chaleur 10 est soumis à l'action du rayonnement ré-' fléchi 16 Les deux zones situées entrze les zones 12 et 15 ne reçoivent que des rayonnements diffusés Dans le cas représenté t 541762 sur la figure, la répartition de l'intensité du rayonnement incident sur l'échangeur de chaleur 10 peut être représentée approximativement par la ligne en trait interrompu 17 Il en ré- sulte que l'échangeur de chaleur 10 est soumis sur son pourtour à une température variable qui est maximale dans la zone 12 et minimale entre les zones 12 et 15. La fig 2 et la fig 2 a représentent un échangeur de chaleur 20 réalisé sous forme de capteur d'une centrale élec- trique solaire sur tour Cet échangeur de chaleur 20 est cons- titué par plusieurs tubes d'échange de chaleur parallèles 22 branchées en batterie Les tubes 22 soumis à l'action des rayons solaires directs concentrés 23 et au rayonnement réfléchi sur la paroi arrière 24 reçoivent un rayonnement incident dont la ré- partition est représentée sur la fig 1. Dans les tubes d'échange de chaleur 22 sont prévus des éléments encastrés s'étendant en direction longitudinale ces éléments étant représentés à titre d'exemples sur les figu- res 3 à 5. La fig 3 représente un échangeur de chaleur cylin- drique 30 dont le conduit d'écoulement est divisé par un élément er castré profilé 31 en deux conduits 32 et 33 d'inégale impor- tance Du côté gauche, l'élément encastré 31 est revêtu diffé- remment des deux côtés, la couche 34 dirigée vers la zone chau- de ayant vis-à-vis du rayonnement calorifique un pouvoir absor- bant plus élevé que la couche 32 située de l'autre côté Ainsi, par l'intensité de rayonnement plus forte et par le pouvoir ab- sorbant plus élevé t la zone chaude peut transmettre davantage de chaleur au fluide caloporteur par l'intermédiaire de l'élé- ment en castré 31,34,35 On obtient par là une contribution supplémentaire à l'égalisation des températures. On peut obtenir une action similaire d'égalisa- tion des températures par rayonnement des parois extérieures chaudes à des températures différentes au moyen d'une tôle per- forée 36 ou d'une toile métallique, comme cela est représenté à droite sur la fig 3. 8 -2541762 Un élément encastré tel que l'élément encastré 31 représenté sur la fig 3, peut aussi úre réalisé sous forme d'élément bimétallique qui lors de la variation de la différence de température entre les flux gazeux passant dans les deux con- duits 32 et 33, modifie sa position et par suite le rapport des débits massiques dans les deux conduits 32 et 33. La fig -4 représente un échangeur de chaleur-40 pré- sentant des rapports de sections variables Le conduit d'écou- lement de cet échangeur est divisé au moyen de deux éléments encastrés 41 et 42 en trois conduits d'écoulement 43,44 et 45 de-grandeur différente'. Pour augmenter la capacité de trabsmission de cha- leur, le tube d'échange de chaleur 40 est muni de nervures lon- gitudinales 47 dans la zone de rayonnement incident direct 46. Les éléments encastrés 41 et 42 sont également agencés sous forme de surfaces de transmission de chaleur entre les différents con- duits 43 à 45 et munis de nervures longitudinales d'un côté ou des deux côtés. La fig 5 représente un échangeur de chaleur 50 à section rectangulaire, dans lequel un élément encastré 51 est introduit obliquement à l'axe longitudinal Pour augmenter la capacité de transmission de chaleur par turbulence-, l'élément encastré 51 est muni de nervures transversales 52. Suivant le cas d'application considéré, le conduit d'écoulement est divisé en deux conduits ou en un plus grand nom- bre de conduits, cette division ayant lieu sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur, ou seulement sur certains tronçons. Les éléments encastrés peuvent être constitués par de simples tôles relativement minces qui peuvent être introduites, le plus souvent sans modifications constructives, dans des tubes lisses ou dans des tubes profilés de diverses façons Ces tôles peuvent aussi être montées après coup dans des installations existantes. Par rapport à la dépense, l'utilisation obtenue pour les tôles directrices est incomparablement grande. On peut obtenir une égalisation des températures au moyen d'éléments encastrés dans des échangeurs de chaleur de forme et de section d'écoulement quelconques Les possiblités d'application des échangeurs de chaleur ainsi équipés ne sont pas limitées à l'utilisation de l'énergie solaire Ils peuvent au contraire être mis en application partout o de l'énergie rayonnante est transmise à un fluide gazeux ou liquide. - REVENDICATIONS 1 ) Echangeur de chaleur devant absorber des densités d'énergie de valeurs différentes par convection ou rayonnement sur ses parois de passage de chaleur, caractérisé en ce que la section de l'échangeur de chaleur ( 20,30,40,50) est divisée au moyen d'éléments encastrés ( 31,41, 42,51) en au moins deux conduits d'écoulement ( 32,33; 43,44,45), de manière que les différences de température et les contraintes thermiques de la paroi résultant des densités d'énergies élevées et diffé- rentes soient réduites ou supprimées. ) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de chaque conduit d'écoulement ( 32,33; 43,44,45) correspond à la fraction du flux d'énergie introduite dans la paroi associée ( 38) du tube de l'échangeur de chaleur. ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments encastrés sont réalisés sous forme de tôles ( 31). ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments encastrés ( 31) présentent pour l'énergie du rayonnement des pouvoirs absorbant et réfléchissant différents sur les deux faces ( 34,35) dirigées vers chaque conduit élémentaire ( 32,33). ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4; caractérisé en ce que les éléments encastrés ( 41,42) et/ou le tube d'échange de chaleur ( 40) sont profilés ou munis de nervures longitudinales ( 47 Y. 6 ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments encastrés ( 51) sont munis de nervures ( 52) ou d'ondulations s'étendant de façon sensiblement transversale à la direction longitudinale. 7 ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments encastrés ( 36) sont réalisés sous forme de tôles perforées ou de toiles métalliques. ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments encastrés sont munis de mécanismes de réglages, qui, s'il se produit des différences de température des parois, modifient la position des éléments encastrés et, par suite, la forme et la grandeur des conduits d'écoulement de manière à réduire les différences de température. ) Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que des éléments bimétalliques sont prévus en tant que mécanismes de réglage. ) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les éléments encastrés sont, suivant la longueur de l'échangeur de chaleur, montés par tronçons dans les zones de densités de flux de cha- leur fortement différentes. 11) Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les éléments encastrés ( 31) et la forme des conduits d'écoulement sont agen- cés de manière qu'un fluide s'écoulant dans les conduits n'éprou- ve qu'une résistance supplémentaire à l'écoulement, la plus fai- ble possible.