Brevet FR2548771A1 — publié le 19850111

PROCEDE D'ACTIONNEMENT DE DISPOSITIFS DE TRANSFERT DE CHALEUR ET DISPOSITIF ASSOCIE DE TRANSFERT DE CHALEUR La présente invention se rapporte à un procédé pour exploiter des dispositifs de transfert de chaleur, ainsi qu'à un dispositif associe de transfert de chaleur pouvant être utilisé, en tout premier lieu, dans les cas où, au moyen d'échangeurs thermiques ou récupérateurs classiques connus jusqu'à présent, une utilisation avec des fluides constituant des sources de chaleur et présentant un relativement fort degré d'encrassement biologique, physique et en partie chimique n'était pas possible ou l'était seulement moyennant un très mauvais rendement du transmet de chaleur, ainsi que des coûts de fabrication et de fonctionnement elevés. En plus de la possiLilite d'application, fondamentalement avantageuse, du procédé et du dispositif conjugués à tous les fluides formant sources de chaleur et lvli9 en circulation ou en mouvement, le domaine d'application préférentiel s'étend cependant à l'utili- station à des fins énergétiques des eaux usées sanitaires et de cuisine, des eaux usées industrielles encrassées les plus diverses, ou bien des cours d'eau naturels. On connaît un grand nombre dscharlgeurs thermiques fonctionnant indirectement, c'est-à-dire des systèmes de transfert de chaleur par récupération, dans lesquels le trans- fert d'énergie est assuré par des parois fixes ou des surfaces de transfert immobiles. Ces systèmes se prêtent sans limitation à une utilisation dans des environnements dans lesquels les fluides formant sources de chaleur ne sont pas encrassés ou ne le sont que faiblement.En revanche, on se heurte à des dificultés considérables dès lors qu'il sgagit de récupérer qe l'énergie calorique de fluides à teneurs modérées ou fortes en substances solides et enrichis en matières épaisses, comme par exemple les matières fécales et les eaux usées de cuisine. A cause des particules de crasse grossières renfermées par de tels fluides, il faut s'attendre à une obstruction rapide des surfaces de contact dans presque tous les cas d'utilisation pratique, ce qui entraine inévitablement une baisse brusque du rendement du transfert thermique et des pertes de pression accrues, une obstruction totale des canaux d'écoulement n'étant pas rare non plus.Pour éviter ces phénomènes désavantageux, il a déjà été proposé de nombreuses solutions spécifiques qui se caractérisent par des procédés ou des systèmes d'échange thermique liés à de grands frais et à une grande complexité d'entretien, et comportant des surfaces de contact mues mécaniquement ou à l'aide d'autres moyens auxiliaires, présentant des éléments constitutifs assurant un nettoyage automatique, ou bien devant satisfaire à l'exigence d'une exécution de cycles de nettoyage manuel prenant beaucoup de temps. Très souvent, les facteurs précités conduisent à la décision de renoncer à une recollection d'énergie par récupération à partir de fluides encrassés constituant les sources de chaleur, et d'accepter certaines quantités de chaleur perdue.En d'autres termes, une variante de solution donnant satisfaction, acceptable des points de vue technique et économique pour une applicabilité universelle ne fait, actuellement, pas encore partie de l'état de la technique. L'invention a pour objet de proposer un procédé d'actionnement de dispositifs de transfert de chaleur et de mettre au point un dispositif correspondant de -transfert thermique, de telle sorte que ce dispositif de transfert soit,en permanence, maintenu totalement apte à fonctionner lorsqu'il est utilisé avec des substances fluides et fortement encrassées constituant les sources de chaleur et que, à la différence des solutions de principe connues jusqu'à présent, ce dispositif garantisse avec des moyens très simples et fiables, des possibilités effectives d'application qui se caractérisent tant par des rendements de transfert thermique stables et améliorés, que par des coûts de réalisation, de matériaux et d'entretien notablement plus faibles. En se fondant sur les objectifs susmentionnés, l'invention a pour objet de proposer un procédé d'actionnement de dispositifs de transfert thermique et de réaliser un dispositif de transfert thermique nécessaire à cette fin, de manière, d'une part, à exclure quasiment des obstructions du canal d'écoulement ou de la zone d'écoulement traversant du fluide constituant la source de chaleur, ainsi que des incrustations ou des dépôts sur les surfaces de contact dudit dispositif de transfert thermique par suite d'impuretés grossières et, d'autre part, pour que ce dispositif ne soit pas non plus affecté par des dépôts de longue durée dus à de petites particules.En outre, l'invention vise à permettre une possibilité universelle d'utilisation avec des fluides formant sources de chaleur dont l'encrassement est nul, modéré ou fort, dans la perspective d'obtenir de grands rendements de transfert thermique,- afin d'atteindre notamment des conditions de transfert constantes, malgré de fréquentes tluctuations des niveaux dans les canaux d'écoulement traver- sant du fluide constituant la source de chaleur (par exemple des tuyaux d'évacuation des eaux usées L'exigence de réalisation préponde-rante consiste alors à maintenir les plus faibles pcssibles, pa une conception correspondante d'éléments de transfert thermique, les pertes de pression provoquées par le dispositif de transfert dans le canal dans lequel le fluide formant. la source de chaleur circule de part en part. Le procè-c1??- conforlaçment à l'invention est caractérisé par le fait .tue les surfaces de contact du dispositif de transfert ther moque sont soumises à un mouvement libre, totalement autonome et dépendant. des conditions d'écoulement à l'intérieur d'un canal d'écoulement ou de la zone d'écoulement traversant du fluide constituant la source de chaleur.A cet effet, le dispositif de transfert conformément à l'invention est formé par des éléments de transfert de chaleur qui consistent en un seul et unique ou en un grand nombre de canaux d'écoulement en un matériau élastique, qui s'étendent en longueur à la manière de tubes flexibles et peuvent présenter des profils différents. Selon une première variante de réalisation, l'élé- ment de transfert de chaleur, qui possède seulement un canal élastique d'écoulement aux deux extrémités libres duquel se trouvent des embouts de raccordement, est relié d'une part à un répartiteur central d'arrivée et, d'autre part, à un répartiteur de retour.Dans ce cas, les répartiteurs respectifs d'arrivée et de retour du fluide formant la source de chaleur sont situés à l'intérieur ou à l'extérieur du canal d'écoulement traversant qui renferme ledit fluide formant la source de chaleur, et sont réalisés sous la forme d'un élément constitutif complexe d'un groupe de transfert thermique pouvant être préfabriqué de manière simple. La deuxième variante de réalisation, dans laquelle l'élément flexible de transfert renferme plusieurs canaux élastiques d'écoulement regroupés en un faisceau ou en un assemblage de canaux, comporte à une extrémité libre des embouts de raccordement et, à l'autre extrémité, des canaux d'écoulement mutuellement "court-circuites" constituant le trajet d'arrivée et le trajet de retour du fluide de transfert thermique dans le système de récupération de chaleur. Avantageusement, les canaux d'écoulement sont réalisés selon un agencement juxtapose, de préférence dans un plan vertical ou horizontal, sous la forme d'un ensemble unitaire et matériellement homogène et, en vue d'atteindre de grandes longévités, ils sont fabriqués en des matières plastiques à inclusions de tissus de types différents. Dans ce cas, on juxtapose principalement dans un plan des éléments de transfert de chaleur en forme de bandes comptant deux, trois ou quatre canaux. De préférence cependant, dans le but d'obtenir une récupération de chaleur délibérée à partir de fluides formant les sources de chaleur et présentant des niveaux variables ou un faible débit, on utilise un élément de transfert de chaleur à trois canaux dans lequel, entre les trajets respectifs d'arrivée et de retour, est emprisonné un canal borgne renfermant un fluide dont la densite est déterminée et qui est adapté aux fluides respectifs constituant la source de chaleur et assurant le transfert thermique.La flottabilité pouvant être ainsi obtenue avec un materiau de base constant formant les éléments de transfert thermique, ainsi que l'inclusion d'un fluide remplissant simultanément une fonction de protection à l'encontre d'une influence calorifique exercée sur les trajets respectifs d'arrivée et de retour du fluide de transfert thermique, constituent des mesures essentielles présidant à des conditions de transfert thermique constantes et généralement améliorées. Cependant, il est également considéré comme judicieux de rechercher une flottabilité à l'intérieur de canaux d'écoulement intégralement comblés par du fluide constituant une source de chaleur, en vue d'éviter des composantes excessives de forces de friction, résultant de forces de sustentation qui agissent en plus,entre les parois des canaux et les éléments de transfert thermique. Outre la mobilite libre résultant de la flexibilité et de la réalisation particulière des éléments de transfert ther- moque et out.re l'effet conjugué de nettoyage optimal automa- tique des surfaces de contact de ces éléments de transfert, tant du coté de la source de chaleur que du côté de la récupé- ration de chaleur, il convient de mentionner les avantages ct-aprè.s. Par suite du mouvement libre des éléments de transfert thermique ou du déport de ces éléments dans la direction de la plus faible resistance, on obtient les résistances hydrau- iiques ou les pertes de pression les plus faibles. L'effet de nettoyage peut en outre être considérable- ment amélioré par une variation de surface résultant d'une brève diminution ou augmentation de pression, en premier lieu dans les canaux d'écoulement du fluide de transfert thermique. Cette mesure permet également d'obtenir une séparation de petites particules entre lesquelles agissent des forces de cohésion relativement grandes et qui, conjuguées au matériau constituant les éléments de transfert, développent également de très grandes forces d'adhérence. Grâce à la mobilité libre des éléments flexibles de transfert thermique, il est possible de supprimer optimalement les contraintes thermiques nées de différences de température, ainsi que les contraintes normales et tangentielles qui dérivent des charges dues à l'écoulement. Un choix de matériaux à résistances adéquates pour fabriquer les éléments de transfert thermique offre également de grandes possibilités d'utiliser des fluides qui, constituant les sources de chaleur, sont aggressifs et souillés chimiquement. L'invention va a présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe fragmentaire d'un dispositif de transfert thermique conformément à l'invention, dans lequel des éléments de transfert de chaleur à extrémité libre sont disposés longitudinalement dans le canal d' écoulement la figure 2 est une coupe fragmentaire d'un élément de transfert de chaleur, selon la ligne I-I de la figure i la figure 3 est une coupe fragmentaire d'un dispositif de transfert thermique conformément à l'invention, dans lequel des éléments de transfert de chaleur à extrémité libre sont disposés radialement dans le canal d'écoulement la figure 4 est une coupe du canal d'écoulement,selon la ligne II-II de la figure 3 la figure 5 est une coupe fragmentaire dlun dispositif de transfert thermique selon l'invention, dans lequel des éléments de transfert de chaleur ne comportant pas d'extrémité libre sont disposés radialement et en forme d'épingle à cheveux dans le canal d'écoulement la figure 6 est une coupe fragmentaire du canal d'écoulement, selon la ligne III-III de la figure 5 la figure 7 est une coupe fragmentaire d'un dispositif de transfert thermique selon l'invention, dans lequel des éléments de transfert de chaleur ne présentant pas d'extrémité libre sont disposés en arcs de cercle dans le canal d'écoulement la figure 8 est une coupe du canal d'écoulement, selon la ligne IV-IV de la figure 7 la figure 9 est une coupe fragmentaire d'un dispositif transfert thermique selon l'invention, dans lequel des éléments de transfert de chaleur sans extrémité libre sont disposés le long du canal d'écoulement la figure 10 est une coupe fragmentaire du canal d'écou lement,seloil la ligne V-V de la figure 9 la figure 91 est une coupe fragmentaire d'un dispositif de transfert thermique selon l'invention, dans lequel des éléments de transfert de chaleur sans extrémité libre longent canal d'écoulement. scindé la figure 12 est une coupe fragmentaire du canal d'écou liement., selon la figure VI-VI de la figure 11 la figure 13 est une coupe longitudinale d'un dispositif de transfert thermique conformément à l'invention, comportant des cléments de transfert de chaleur présentant une extrémité livre et disposés verticalement dans un réservoir de décantation ou d'accumuiatiorl la figure 14 illustre un élément de transfert de chaleur selon i'invention, présentant une extrémité libre et comprenant deux canaux la figure 15 montre un élément de transfert de chaleur coneorm.ement à l'invention, présentant une extrémité libre et comprenant trois canaux ; et la fgure 16 représente un élément de transfert thermi -u conformément à l'invention, présentant une extrémité libre et comprenant quatre canaux. Le dispositif de transfert thermique conformément à l'invention se compose, en détail, de plusieurs éléments 1 de transfert de chaleur qui renferment à leur tour des canaux d'écoulement respectifs 3 et 2 correspondant aux trajets respectifs de retour R et d'arrivée V du fluide de transfert de chaleur, ainsi que par exemple un canal borgne 4 dans lequel de l'air est emprisonné ; d'un tube protecteur 5 pour empêcher de grandes contraintes de flexion dues à l'écoulement d'embouts de raccordement 6 pour établir la liaison entre les canaux respectifs 3 et 2 associés. aux trajets respectifs de retour R et d'arrivée V, et des canaux annulaires respectifs 7 et 8 qui longent circonférentiellement une collerette de retenue 9 et correspondent respectivement auxdits trajets de retour R et d'arrivée V du fluide de transfert de chaleur ainsi que de liaisons vissées correspondantes 10 assurant la fixation de ladite collerette 9 dans un canal 11 d'écoulement traversant de fluides M formant une source de chaleur. Conformément aux figures 2, 14, 15 et 16, les éléments de transfert 1, comportant une extrémité libre et à l'autre extrémité desquels sont installés les embouts de raccordement 6, sont incorporés de préférence en tant qu'éléments en forme de bandes à deux, trois ou quatre canaux, la configuration géométrique choisie de ces éléments devant être fonction de surfaces maximales assurant le transfert thermique. A cet effet, l'utilisation de canaux s'interpénétrant centriquement ou concentriquement constitue également une possibilité envisageable. Certaines autres possibilités avantageuses d'agencement de tels éléments 1 de transfert de chaleur sont illustrées plus en détail sur les figures 3, 11 et 13 d'où il ressort que, à la place des éléments i traversant verticalement de haut en bas un réservoir 13 de décantation ou d'accumulation, il est également possible d'envisager différentes variantes de fixation horizontale ou de fixation dans l'espace, non représentées. Un type de disposition également non illustré se singularise par la caractéristique selon laquelle les élé- ments de transfert 1 sont introduits, par exemple, par l'intermédiaire de manchons ou d'orifices de- nettoyage qui sont de toute façon prévus dans des canalisations d'eaux usées, puis peuvent remplir leur fonction en flottant pour l'essen- tiel parallèlement à la canalisation d'évacuation. Des éléments 12 de transfert de chaleur, aux deux extrémités desquels se trouvent des embouts de raccordement 6, sont montés conformément aux figures 5, 7 et 9 sous la forme d'éléments a un seul canal ou d'eléments en forme de bandes à plusieurs canaux. Dans l'exemple représenté sur la figure 5, un agencement des éléments de transfert 12 décalé de 900 est également possible. De même, un réservoir 13 de décantation OU d'accumulation illustré sur la figure 13 peut, fondamenta lent, constitue un domaine d'utilisation correspondant de ces éléments.Lorsque la configuration en Y du canal d'écoulement 11 représenté sur la figure 11 est transformée en une configuration en X, il est également possible, au moyen d'élé- ments 12 de transfert de chaleur, d'obtenir un agencement horizontal ininterrompu dans ce canal d'écoulement 11. Enfin, concernant les variantes de réalisation illus triées comprenant des éléments 12 de transfert thermique, il convient de faire observer que le rayon de courbure maximal possible de ces éléments flexibles est plus petit que celui de la section d'écoulement ouverte considérée, faute de quoi los éléments individuels peuvent éventuellement former des noeuds dans e as d'écoulements turbulents défavorables Dans les cas utilisation critiques, on peut eventuellement recommander l-tlisation d'organes d'espacement par exemple type cordes ou xaes, ou autres éléments appropriés. On fera encore observer que les canaux d'écoulement des éléments 1 et 12 de transfert de chaleur peuvent aussi être regroupée en un faisceau ou un assemblage de canaux 1 ide de moyens auxilliaires mecaniques, par exemple des liaIsons tar collage par soudage ou par coincement. De meme, ces canaux peuvent être munis de garnitures internes de renforcement en des tissus métalliques, minéraux, textiles ou d'autres natures favorisant la robustesse et la résistance à long terme. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et repré senté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'actionnement de dispositifs de transfert de chaleur prévus notamment pour être utilisés avec des fluides constituant des sources de chaleur qui s'écoulent avec un fort encrassement, procédé caractérisé par le fait que les surfaces de contact du dispositif de transfert sont soumises, à l'intérieur d'un canal d'écoulement ou d'une zone d'écoulement traversant du fluide constituant une source de chaleur, à un mouvement libre entièrement autonome et dépendant des conditions d'écoulement. 2. Dispositif de transfert de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant plusieurs élements de transfert de chaleur et caractérisé par le fait que ces éléments t1, 12) de transfert de chaleur sont formés respectivement- par des canaux d'écoulement uniques ou par un grand nombre de Lels canaux consistant en un matériau élastique, du type tuyaux flexibles et pouvant présenter des profils dirféents ; par le fait que, d'autre part, un élément (12) de transfert de chaleur composé d'un seul ou de plusieurs canaux d'écoulement comporte un embout de raccordement correspondant (6) à ses deux extrémités ; et par le fait que, d'autre part, un élément (1) de transfert de chaleur composé de plusieurs canaux d'écoulement (2, 3) est également muni, a une extré- mité, d'un ou de plusieurs embouts de raccordement (6) et possède, de l'autre c3te, des canaux d'écoulement mutuellement "court-circuités"pour permettre l'écoulement traversant de fluides de transfert de chaleur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les canaux d'écoulement des éléments !1, 12) de transfert de chaleur sont egenn-és en juxtaposition, de pré-ré rente dans un plus vertical ou horizontal sous la forme d'un élement unitaire et matériellement homogène, ou bien sont regroupés en un faisceau ou un assemblage de canaux d'ecoulement, à l'aide de moyens mécaniques auxiliaires tels que des lia; sons par collage, par soudage ou par coincement. 4. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les éléments (1, 12) de transfert de chaleur entre plusieurs canaux d'écoulement (2, 3) renferment des canaux individuels (4) emplis de fluides de densités différentes, de préférence d'air. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que les canaux d'écoulement (2, 3) consistant en un matériau élastique, de préférence une matière plastique, sont dotés de garnitures internes de renforcement métalliques, minérales, textiles ou en d'autres tissus favorisant la robustesse et la résistance a long terme.