Brevet FR2540234A1 — publié le 19840803

DISPOSITIF POUR L'AUGMENTATION DU COEFFICIENT D'ECHANGE THERMIQUE DE FLUIDES TELS QUE DES FLUIDES VISQUEUX S'ECOULANT DANS LES CONDUITES DES ECHANGEURS DE CHALEUR La présente invention s'applique à un dispositif pour l'augmenta- tion du coefficient d'échange thermique de fluides tels que des fluides visqueux de faible conductivité thermique s'écoulant dans les conduites d'échangeurs de chaleur, tels que par exemple des huiles de transforma- teur et de lubrification de paliers. Il est bien connu que les huiles servant à la lubrification des paliers de turbines à vapeur ou à gaz et à leur refroidissement et qui doivent être refroidies dans des réfrigérants d'huile pour l'évacuation des pertes mécaniques transformées en chaleur dans les paliers, sont mauvaises conductrices de la chaleur et s'écoulent de façon laminaire dans les conduites des échangeurs de chaleur. Par suite de ces propriétés, le coefficient d'échange de chaleur de ces huiles est faible, ce qui a pour conséquence désavantageuse que le refroidissement exige des,échangeurs de chaleur relativement onéreux et de grandes dimensions. Le coefficient d'échange de chaleur faible des huiles s'écoulant de façon laminaire et présentant une mauvaise conductibilité thermique s'explique par le fait que la couche limite à refroidir et qui s'écoule à faible vitesse le long de la surface de la conduite,agit comme une isolation thermique et obture en quelque sorte le passage du flux de chaleur depuis l'huile chaude jusqu'à la paroi de la conduite Alors que l'huile refroidie s'écoule à faible vitesse sur les parois de la condui- te, formant pratiquement une couche plus dense sur les parois de la conduite, l'huile chaude s'écoule au milieu de la conduite et est très difficile à refroidir La chaleur ne peut être extraite qu'en utilisant la conductivité thermique. Selon la technique utilisée jusqu'à maintenant, on dispose longitudinalement des nervures intérieures La raison de cette disposi- tion réside dans le fait que la chaleur effectue un parcours plus court dans les sections transversales ainsi découpées, et en conséquence, la résistance à l'écoulement thermique en sera diminuée d'autant Cepen- dant, l'inconvénient des nervures réside dans le fait que la résistance à l'écoulement, le poids et par conséquent les coûts de production de l'échangeur de chaleur en sont augmentés d'autant. Le but de la présente invention est d'éliminer les caractères désavantageux mentionnés précédemment en réalisant une disposition qui élimine la couche limite plus froide formée au cours de l'écoulement laminaire de l'huile à partir du centre de la conduite. La différence entre le dispositif selon l'invention et les nervures intérieures selon les modes de réalisation précédents, réside dans le fait que, à la différence des nervures intérieures traditionnel- les qui divisent l'espace tubulaire en canaux courant parail Me- ment ou presque parallèlement à l'axe longitudinal de la conduite, le mode de réalisation selon l'invention divise cet espace tubulaire en sections courant perpendiculairement à l'axe de la conduite et de telle façon que la couche limite formée sur la paroi de la conduite de chaque section séparée soit obligée d'échanger sa position avec celle de l'huile chaude s'écoulant au milieu de la conduite En conséquence, bien qu'il se forme des couches d'huiles'écoulant parallèlement à l'axe longitudinal de la conduite, il n'existe pas de surface de séparation entre elles, et au cours de leur avance dans la conduite, il se produit fréquemment des inversions de positions entre les couches à l'intérieur de la conduite et les couches situées au voisinage des parois de celle- ci. Une caractéristique essentielle des nervures intérieures tradi- tionnelles réside dans le fait que les dimensions de leur surface sont similaires à celles de la surface intérieure de la conduite La surface du mode de réalisation selon la présente invention est beaucoup plus petite et elle n'exer-ceaucun rôle en-ce qui concerne l'échange de chaleur Les nervures intérieures traditionnelles sont réalisées en matériau bon conducteur de la chaleur Etant donné que la conductivité thermique du mode de réalisation selon l'invention ne joue aucun rôle, les nervures utilisées peuvent en conséquence être réalisées en un matériau quelconque tel que de la matière plastique. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: la figure 1 montre, en coupes longitudinale et transversale un premier mode de réalisation du dispositif selon l'in- vention; la figure 2 montre, en perspective et en vue de face, un mode de réalisation de l'élément de séparation du dispositif de la figure 1; la figure 3 montre, en coupe longitudinale, un autre mode de réa- lisation plus perfectionné du dispositif selon l'in- vention. La figure 1 montre, en coupe longitudinale, un tube ou une conduite de refroidissement utilisable dans un échangeur de chaleur. Dans le tube de refroidissement 1, des éléments de séparation 2 sont fixés dans des plans disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal de la conduite de refroidissement sur un fil de fixation 3, ces éléments de séparation étant disposés les uns à la suite des autres selon un ordre répétitif Le fil de fixation 3 est maintenu aux deux extrémités de la conduite par des organes de fixation 4 Les couches d'huile relativement froidess'écoulant sur les parois de la conduite dans la couche limite laminaire et les couches d'huile relativement chaudes s'écoulant dans la partie centrale de la conduite, sont déviées par les éléments de séparation 2 de la façon indiquée par les flèches, de telle façon que l'huile la plus froide s'écoule vers l'intérieur de la con- duite tandis que l'huile la plus chaude est dirigée vers les parois de la conduite On peut voir sur la figure 1 la section longitudinale de l'élément de séparation 2 avec deux de ces canaux internes. Il est possible de réaliser une solution pour laquelle l'élé- ment de séparation 2, avant l'assemblage, est un peu plus large que le diamètre intérieur de la conduite 1 de telle façon qu'après son instal- lation dans cette conduite, il est pressé sur la paroi de la conduite 1 par son élasticité propre Dans ce cas, on peut supprimer à la fois le fil de fixation 3 et l'organe de fixation 4. La figure 2 montre un mode de réalisation possible pour l'élément de séparation 2 Le canal de déviation qui part vers l'intérieur à partir de l'anneau de séparation 5,dévie la couche limite s'écoulant entre la paroi de la conduite 1 (non représentée ici) et l'anneau de séparation, vers le centre de la conduite 1 Cet effet de déviation est augmenté par l'anneau de blocage 7 qui sert en même temps à la fixation sur la paroi de la conduite 1 Des supports 8 sont formés en saillie dans la masse du matériau de l'anneau de séparation 5 pour assurer le centrage de l'élément de déviation à l'intérieur de la conduite 1. On peut encore améliorer le dispositif selon l'invention en utilisant les dispositions représentées à la figure 3 Dans ce mode de réalisation, les éléments de séparation 2 qui ont été reliés au fil de fixation 3 dans la conduite 1, réalisent un déplacement alternatif Les éléments de séparation peuvent être mis en mouvement du fait que le fil de fixation 3 est déplacé périodiquement par un organe d'actionnement externe. Un autre mode de réalisation possible, tel que représenté à la figure 3 peut être réalisé de telle façon que l'écoulement du fluide à refroidir met en contrainte le ressort 9 relié au fil de fixation 3 et déplace ainsi l'élément de séparation 2 En bloquant périodiquement, pendant de courts intervalles de temps, l'écoulement du fluide à refroi- dir, le ressort 9 rappelle le fil de fixation 3 et les éléments de séparation 2 à leur position de départ De cette façon, les éléments de séparation 2 détruisent la couche limite qui s'épaissit continuellement sur la paroi de la conduite 1 et l'obligent à se diriger vers le centre de la section transversale de la conduite, permettant ainsi un meilleur accès thermique vers le liquide de refroidissement extérieur La circu- lation périodique du fluide à refroidir peut être réalisée à l'aide d'un organe d'obturation actionné électriquement et à commande électronique, ou par tout autre organe mécanique disposé à l'entrée de l'échangeur de chaleur Il est également possible de réaliser cet actionnement en utilisant l'énergie du fluide à refroidir en écoulement. Bien entendu, la présente invention n'est limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour l'augmentation du coefficient d'échange thermique de fluides tels que des liquides visqueux s'écoulant dans les conduites des échangeurs de chaleur muniesd'organes de guidage, carac- térisé en ce qu'il comporte des éléments de séparation ( 2) dotés de canaux déflecteurs ( 6) antes 'à détourner la couche limite en écoulement sur la paroi de la conduite ( 1), et en ce que les éléments de séparation subdivisant l'espace intérieur de la conduite ( 1) en sections, sont disposés perpendiculairement à l'axe de la conduite ( 1). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de séparation ( 2) sont fixés à des fils de fixation ( 3), eux mnmes fixés à la conduite ( 1) au moyen d'organes de fixation ( 4). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes de séparation ( 2) sont reliés à des mécanismes aptes à exécuter un déplacement périodique et reliés au fil de fixation ( 3). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fils de fixation ( 3) sont reliés à un ressort ( 9) et en ce que l'entrée de l'échangeur de chaleur est équipée d'un organe provoquant la circulation périodique du fluide. 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe provoquant la circulation périodique du fluide est un organe d'obturation actionné par une énergie extérieure. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe provoquant la circulation périodique du fluide est un organe d'obturation actionné par l'énergie du fluide en Circulation.