Brevet FR2554214A1 — publié le 19850503

La présente invention se rapporte aux échangeurs thermiques et en particulier aux échangeurs thermiques des- tinés à assurer l'ébullition d'un gaz liquéfié tel que de l'oxygène liquide dans un condenseur/régénérateur d'une installation de séparation à air. Une manière efficace de transférer de la chaleur d'une surface chauffée d'un échangeur thermique à un fluide en contact avec la surface est assurée par l'intermédiaire du mécanisme d'ébullition en noyaux. Il a été trouvé que si la surface chauffée est rugueuse, les irrégularités ou cavités ainsi formées deviennent des sites ou noyaux pour la formation de bulles. Il est connu de faire en sorte que de telles bulles soient pressées contre la surface chauffée au moyen d'une barrière physique avec laquelle la surface chauffée délimite un étroit canal. Une plus grande surface de bulle en contact avec la surface chauffée entraîne qu'une proportion impor- tante de la surface chauffée est couverte par une mince microcouche de liquide, à partir de laquelle l'évaporation se produit avantageusement et directement par la formation des bulles. Cependant, lorsque les bulles progressent le long du canal, le liquide est drainé à partir des gouttes ou poches subsistant entre des bulles adjacentes, ce qui peut conduire à une situation d'"assèchement", dans laquelle la vapeur est en contact avec la surface chauffée, c'est- à-dire à une situation d'évaporation jusqu'au séchage. La présente invention a pour but de proposer un échangeur thermique qui est économique à fabriquer et qui peut offrir tous les avantages mentionnés ci-dessus et asso- ciés à l'ébullition en noyaux, mais qui réduit la possibilité de développement d'une situation de vaporisation jusqu'au séchage. Conformément à la présente invention, un échangeur thermique comprend une âme ayant une section creuse délimi- tant un passage d'écoulement principal pour un fluide à vaporiser, l'âme comportant, en utilisation, une surface qui, avec une surface auxiliaire espacée de cette dernière, délimite un étroit canal le long duquel le fluide peut égale- ment s'écouler, l'une au moins desdites surfaces étant chauffée, et l'espace délimité entre lesdites surfaces étant ainsi dimensionné que, en utilisation, des bulles formées sur la surface chauffée sont pressées et aplaties par l'autre surface contre la surface chauffée, et au moins une ouverture débouchant du canal dans le passage d'écoulement principal et qui permet l'échappement des bulles à partir de la surface chauffée et le remplacement du fluide vaporisé. De préférence, plusieurs passages d'écoulement principaux parallèles et espacés sont formés par extrusion d'un matériau ayant une conductivité thermique élevée, chaque passage d'écoulement principal ayant au moins un canal qui lui est associé, et chaque canal étant percé de plusieurs trous en communication avec son passage d'écoulement princi- pal associé. La surface auxiliaire peut être agencée sur un côté d'une plaque de séparation opposé aux canaux, la sur- face auxiliaire étant chauffée par l'écoulement d'un fluide relativement chaud sur l'autre côté de la plaque de sépara- tion. Des modes de réalisation de l'invention seront à présent décrits à titre d'exemples, en référence aux des- sins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe transversale d'un échan- geur thermique conforme à la présente invention, la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un passage d'écoulement principal de l'échangeur thermique de la figure 1, la figure 3 est une coupe longitudinale d'un autre exemple d'échangeur thermique conforme à l'invention, et la figure 4 est une coupe transversale d'encore un autre exemple d'échangeur thermique selon la présente invention. En se référant tout d'abord aux figures 1 et 2, un échangeur thermique 1 comprend une partie constituant une âme ayant une section creuse délimitant plusieurs pas- sages d'écoulement principaux 2 pour un fluide de refroidis- sement. Les passages d'écoulement principaux 2 sont formés par extrusion d'un matériau ayant une conductivité thermique élevée tel que l'aluminium. Chaque passage d'écoulement prin- cipal 2 est délimité par des parois latérales opposées 4 et par des parois supérieure et inférieure opposées 6 (comme représenté sur la figure 1). Les parois latérales 4 s'éten- dent au-dessus et au-dessous respectivement des parois supé- rieures et inférieures 6, et elles délimitent des canaux 10 avec une surface auxiliaire 7 sur une plaque séparatrice 8. Chaque canal 10 est associé à un passage d'écoulement principal 2, et plusieurs ouvertures, sous la forme de trous 12 débouchants, sont percées dans les parois 6 afin de permettre l'écoulement d'un fluide entre chaque canal 10 et son passage d'écoulement principal 2 associé. L'espace entre la surface auxiliaire 7 de la plaque séparatrice 8 et la surface opposée sur les parois 6 est de l'ordre de 3000 pm, tandis que la distance entre des surfaces auxiliai- res 7 immédiatement adjacentes est de l'ordre de 6 à 10 mm. Les surface.s délimitant les canaux peuvent être des surfaces traitées, par exemple des surfaces moletées, attaquées à l'acide ou vaporisées au plasma, afin de former des sites ou noyaux d'ébullition. Les bords des parois latérales 4 peuvent avoir un bon contact thermique avec les surfaces 7 des plaques de séparation 8 afin de permettre aux parois 6 de faire office de surfaces chauffées en plus des surfaces auxiliaires 7. En utilisation, un fluide tel que de l'oxygène liquide s'écoule dans les passages d'écoulement principaux 2 et dans les canaux 10, tandis qu'un fluide relativement chaud s'écoule sur les plaques de séparation 8. Les surfaces auxiliaires 7 s'échauffent et des bulles se forment au niveau des sites ou noyaux d'ébullition. Les bulles sont aplaties et pressées dans les canaux 10 par les surfaces supérieure et inférieure des parois 6 supérieure et inférieure contre les surfaces auxiliaires plus chaudes correspondantes. Lorsque les bulles progressent le long des canaux, elles s'échappent par les trous 12 entre les canaux 10 et les passages d'écoulement principaux 2, afin de rejoindre la masse principale d'oxygène liquide. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, des bulles de vapeur ou de gaz peuvent être produites de manière homogène ou locale dans les canaux étroits 10. Des bulles de vapeur peuvent être produites naturellement par des sites ou noyaux d'ébullition actifs sur la surface auxiliaire chauffée qui peut être traitée afin de favoriser la formation de noyaux d'ébullition pour de faibles valeurs de surchauffe. Des bulles de gaz de la même composition ou d'une composition différente peuvent être également introduites artificiellement dans certains des canaux étroits 10 par des conduits appropriés. Des bulles de vapeur peuvent égale- ment être produites par des dispositifs de chauffage locaux, avec une dissipation locale suffisamment importante pour produire une ébullition en noyaux ou en film. Dans le présent mémoire, les termes "étroit canal" doivent être interprétés comme signifiant un canal suffisam- ment étroit-pour comprimer les bulles de sorte que pendant la majeure partie du temps de présence d'une bulle dans l'étroit canal, il produira une surface de contact accrue par l'intermédiaire d'une microcouche liquide avec la surface de laquelle de la chaleur doit être retirée. Il a été trouvé que pour des résultats optimum, la distance entre les sur- faces devait être comprise entre environ 50 et 30 000 pm. Comme représenté sur les figures 3 et 4, l'âme de l'échangeur thermique peut être réalisée sous la forme de deux cylindres concentriques. Sur la figure 3, le cylindre interne 20 forme le passage d'écoulement principal 22 ou le bac à liquide et il est percé d'ouvertures 24 afin de permettre aux bulles de s'échapper de l'étroit canal 26 qui est formé par la surface externe du cylindre interne avec la surface interne ou auxiliaire 27 d'un cylindre externe 28. Sur la figure 4, deux cylindres sont à nouveau disposés coaxiaux, mais dans ce cas, la surface auxiliaire 2 5 5 4 214 37 est la surface externe du cylindre interne 30, tandis que le cylindre externe 32 forme, sur sa surface externe, une partie du passage d'écoulement principal ou du bac à liquide. Le cylindre externe 32 est percé de trous 34 qui permettent aux bulles de s'échapper à partir de la surface externe auxiliaire chauffée du cylindre interne et de passer dans le bac principal à liquide. Dans tous les modes de réalisation ci-dessus décrits, la présence d'ouvertures par lesquelles les bulles peuvent passer pour rejoindre le bac principal à liquide empêche toute possibilité de développement d'une situation "d'évaporation jusqu'au séchage". Bien que l'on ait fait mention de la réalisation des passages d'écoulement principaux 2 par extrusion, d'autres procédés de formage peuvent être utilisés. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique comprenant une partie cons- tituant une âme ayant une section creuse délimitant un passage d'écoulement principal pour un fluide à vaporiser, l'âme présentant, en utilisation, une surface qui, avec une surface auxiliaire espacée de cette dernière, délimite un étroit canal le long duquel le fluide peut également s'écouler, l'une au moins desdites surfaces étant chauffée et l'espace entre lesdites surfaces étant ainsi dimensionné que, en utilisation, des bulles produites sur la surface chauffée sont pressées et aplaties par l'autre surface contre la surface chauffée, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une ouverture (12) de passage du canal (10) dans le passage d'écoulement principal (2), et qui permet l'échappement des bulles depuis la surface chauffée (7). 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, dans lequel plusieurs passages d'écoulement principaux (2), parallèleset espacés, sont formés par extrusion d'un maté- riau ayant une conductivité thermique élevée, caractérisé en ce que chacun des passages d'écoulement principaux (2) est associé à au moins un canal (10), et chaque canal (10) est percé de plusieurs trous (12) communiquant avec son passage d'écoulement principal (2) associé. 3. Echangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface auxiliaire (7) est disposée sur un côté d'une plaque de séparation (8) opposée aux canaux (10), la surface auxiliaire (7) étant chauffée par l'écoule- ment d'un fluide relativement chaud sur l'autre côté de la plaque de séparation (8). 4. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance entre ladite surface et ladite surface auxiliaire (7) est comprise entre environ 50 et 30 000 am. 5. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est la surface externe d'un cylindre (20) disposé coaxialement à l'intérieur d'un second cylindre (28), la surface auxiliaire (27) étant la surface interne du second cylindre (28). 6. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface est la surface interne d'un cylindre (32) disposé coaxialement autour d'un second cylindre (30), la surface auxiliaire (37) étant la surface externe du second cylindre. 7. Echangeur thermique selon l'une des revendica- tions 5 et 6, caractérisé en ce que la distance entre la surface externe du cylindre interne (30) et la surface inter- ne du cylindre externe (32) est comprise entre environ 50 et 3 000 pm.