Brevet FR2560362A1 — publié le 19850830

Procédé et dispositif de transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide". La présente invention concerne un procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide ainsi qu'un changeur de chaleur pour la mise en oeuvre de ce procédé et destiné au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide en vue d'augmenter sa température ou de changer son état physique. Dans les dispositifs connus de ce genre, les résistances chauffantes électriques sont plongées dans un récipient rempli du fluide à chauffer. Ce fluide s'écoule avec une vitesse faible, non uniforme et dont la direction par rapport à la paroi chauffante des résistances varie d'un point à l'autre de celle-ci. Il en résulte que le coefficient d'échangesthermiquesentre la paroi chauffante et le fluide est faible et très variable d'un point à l'autre de cette paroi. En conséquence, le flux thermique qu'il est possible de transférer au fluide à réchauffer est très faible et particulièrement difficile à calculer avec précision. Afin de limiter la température de la surface chauffante et d'éviter la dégradation thermique des fluides fragiles qui peuvent subir des surchauffes en certains endroits de la surface chauffante, on est actuellement obligé de concevoir des dispositifs de chauffage électrique qui comprennent des surfaces de chauffe importantes, entraînant la réalisation de dispositifs encom- brants, lourds et coûteux. La présente invention a notamment pour but de remédier et d'éviter les inconvénients ci-dessus. Le procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide, selon la présente invention, est tel qu'il consiste à stabiliser et uniformiser un écoulement du fluide de manière à former une lame de fluide d'épais- seur constante et une direction d'écoulement rectiligne et à mettre en contact, perpendiculairement au sens de son épaisseur, cette lame de fluide avec au moins une surface chauffante formant une paroi d'un canal d'écoulement tel que l'écoulement reste d'épaisseur constante et sa direction reste rectiligne, le nombre de Reynolds associé à cet écoulement étant tel que l'écoulement du fluide est turbulent. De préférence, ce nombre de Reynolds est choisi supérieur 2.0.000. 2 2560362 Grâce au procédé selon la présente invention, la vitesse de circulation du fluide dans le canal d'écoulement est uniforme, parallèle à la surface chauffante, et constante en tout point de cette surface chauffante de telle sorte que le flux thermique entre la surface chauffante et le fluide est imposé. La présente invention se rapporte également à un échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus et destiné plus particulièrement au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide. Selon la présente invention, cet échangeur de chaleur comprend un élément chauffant renfermant au moins une résistance chauffante et présentant une surface extérieure, et un élément formant guide présentant une surface parallèle à ladite sur- face extérieure de l'élément chauffant et délimitant avec cette surface extérieure de l'élément chauffant un canal d'écoulement pour le fluide rectiligne et d'épaisseur constante, formant ladite lame de fluide, la surface de l'élément chauffant présentant, dans le sens de l'écoulement du fluide entre la surface de l'élément chauffant et la surface de l'élément guide, une première zone non chauffante formant avec la surface de l'élément guide une zone de tranquilisation amont de l'écoulement du fluide, et une deuxième zone formant une surface' chauffante pour le fluide. Selon la présente invention, la surface de l'élément chauffant comprend également, de préférence, en aval de sa surface chauffante, une troisième zone, non chauffante, formant avec la surface de l'élément guide une zone de tranquilisation aval de l'écou- lement du fluide. Selon la présente invention, la longueur de la zone de tranquilisation aval est de préférence au moins égale à cinq fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement, défini comme étant égal à quatre fois sa section divisée par le périmètre mouillé du canal d'écoulement. Selon la présente invention, la longueur de la zone de tranquilisation amont est de préférence égale à au moins dix fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement. L'échangeur de chaleur selon la présente invention comprend de préférence, en gmont et en aval dudit canal d'écoulement pour le fluide, respectivement, une chambre d'admission et une chambre d'évacuation présentant des volumes relativement grands 3 2560362 par rapport à celui du canal d'écoulement. Dans une variante de réalisation particulièrement simple, ledit élément chauffant est formé par un élément cylindrique et ledit élément guide est formé par un tube guide cylindrique coaxial audit élément chauffant cylindrique et délimitant avec ce dernier un canal d'écoulement de section annulaire et d'épaisseur constante entourant ledit élément chauffant cylindrique. Selon la présente invention, des moyens sont de préfé- rence prévus pour le centrage dudit élément chauffant cylindrique dans ledit tube guide cylindrique de manière à maintenir à-distance constante la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique et la surface extérieure dudit tube guide. Dans une variante, ces moyens de centrage sont formés par des picots de centrage fixés au tube guide et prenant appui sur la surface extérieure dudit élément chauffant cylindrique. Dans une autre variante de réalisation de la présente invention, ces moyens de centrage peuvent être formés par des déformations locales vers l'intérieur dudit tube guide qui prennent appui sur la surface extérieure dudit élément chauffant cylindrique. L'échangeur de chaleur selon la présente invention comprend également, de préférence, un corps cylindrique fermé à ses extrémités, renfermant au moins un ensemble formé par ledit élément chauffant cylindrique et ledit tube guide, cet élément chauffant s'étendant dans le sens de l'axe du corps cylindrique et étant porté par une paroi d'extrémité du corps cylindrique, les extrémités dudit tube guide étant à distance des parois d'extrémité du corps cylin- drique, le corps cylindrique renfermant une cloison radiale traversée par ledit tube guide et délimitant dans le corps cylindrique deux chambres séparées qui constituent respectivement une chambre d'ali- mentation et une chambre d'évacuation pour le fluide qui sont respec- tivement en amont et en aval du canal d'écoulement annulaire formé entre ledit élément chauffant cylindrique et ledit tube guide. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'échangeurs de chaleur décrits à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel: - la figure] représente, en coupe longitudinale, un dispositif de chauffage électrique selon la présente invention renfer- mant un échangeur de chaleur comprenant un élément chauffant entouré d'un tube guide; - la figure 2 représente une coupe radiale selon II-II du dispositif de chauffage électrique représenté sur la figure 1; - la figure 3 représente une coupe longitudinale partielle et agrandie de l'échangeur de chaleur du dispositif de chauffage électrique représenté sur la figure 1, montrant un premier moyen de centrage de l'élément chauffant à l'intérieur du tube guide; - la figure 4 représente une coupe radiale selon IV-IV de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 3; - la figure 5 représente une coupe longitudinale partielle de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1, qui montre un deuxième mode de réalisation du moyen de centrage de l'élé- ment chauffant à l'intérieur du tube guide; - la figure 6 représente une coupe radiale selon VI-VI de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 5; - la figure 7 représente, en coupe longitudinale, une variante de réalisation du dispositif de chauffage électrique repré- senté sur la figure I et renfermant plusieurs échangeurs de chaleur, - la figure 8 représente une coupe radiale selon VIII-VIII du dispositif de chauffage électrique représenté sur la figure 7. Le dispositif de chauffage électrique représenté sur la figure 1 et repéré d'une manière générale par la référence I comprend un corps cylindrique 2 qui présente deux parois d'extrémité 3 et 4 reliées entre elles par une paroi cylindrique en deux parties cylin- driques 5 et 6 fixées bout à bout. Entre les deux parties cylindriques 5 et 6 s'étend radialement une cloison 7 qui divise l'intérieur du corps cylindrique 2 en deux chambres séparées 8 et 9 qui communiquent avec l'extérieur respectivement par des tubulures radiales10 et 11. A l'intérieur du corps cylindrique 2 s'étend, axialement, un échangeur de chaleur repéré d'une manière générale par la réfé- rence 12. Cet échangeur de chaleur 12 comprend un élément chauffant 13 de section circulaire qui traverse la paroi 4 et qui est porté par cette dernière, cet élément chauffant 13 s'étendant axialement à l'intérieur du corps cylindrique 2 et présentant une extrémité libre 14 située à distance de la paroi d'extrémité 3 du corps cylindrique 2. A l'intérieur du corps cylindrique 2, l'élément chauffant 13 est rectiligne et de section circulaire constante. L'échangeur de chaleur 12 présente également un tube guide 15 qui s'étend à l'intérieur du corps cylindrique 2 et qui entoure à distance constante l'élément chauffant cylindrique 13 de manière à ménager entre la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 et la surface intérieure du tube guide 15 un espace annulaire 16 d'épaisseur constante. Les extrémités 13a et 13b du tube guide 15 sont situées à distance des parois d'extrémité 4 et 3 du corps cylindrique 2 et ce tube guide 15 traverse un passage circulaire 17 de la cloison radiale 7 et est porté par cette dernière. En outre, le tube guide 15 est porté, du côté de son extrémité 13b adjacente à la paroi 3 du corps cylindrique 2 par une paroi radiale 18 présentant des passages axiaux 19. L'élément chauffant 13 renferme une résistance électri- que chauffante 20 qui s'étend sur une partie de la longueur de l'élé- menf chauffant cylindrique 13 de manière à ménager, sur la surface extérieure de cet élément chauffant cylindrique 13, en regard de la surface intérieure du tube guide 15, à partir de son extrémité 15a jusqu'à son extrémité 15b, une première zone 13a non chauffante, une deuxième zone 13b chauffante le long de laquelle s'étend la résistance électrique chauffante 20 et une troisième zone 13c non chauffante. Le fluide à chauffer qui est introduit dans la chambre amont 9 par l'intermédiaire de la tubulure d'entrée 11 pénètre dans l'espace annulaire 16 par l'extrémité 15a du tube guide 15, circule dans cet espace annulaire 16 jusqu'à l'extrémité 15b du tube guide 15 et arrive dans la chambre aval 8 de laquelle il est évacué par la tubulure de sortie 10. L'écoulement à l'intérieur de l'espace annulaire 16 séparant la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 de la surface extérieure du tube guide 15 présente des caractéristiques particulières qui sont liées aux dimensions de l'échangeur de chaleur 12. Tout d'abord, la dimension axiale de la zone amont non chauffante 13a de la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 est de préférence égale à au moins dix fqis le diamètre hydraulique du canal d'écoulement 15 défini comme étant égal à quatre fois sa section divisé par son périmètre mouillé qui est, dans le cas présent, égal à la somme des périmètres de la sur- face chauffante 13 et du tube guide 15. La dimension axiale de la zone aval non chauffante 13c 6 2560362 de l'élément chauffant cylindrique 13 est de préférence égale à au moins cinq fois le diamètre hydraulique du canal annulaire 16. De plus, le nombre de Reynolds de l'écoulement du fluide dans le canal annulaire 16 est de préférence au moins égal à 20.000 de telle sorte que cet écoulement est turbulent.' Bien entendu, la longueur de la surface chauffante dépend en particulier du flux de chaleur souhaité. L'écoulement du fluide dans le canal d'écoulement annulaire 16, qui pénètre dans ce dernier par l'extrémité 13a du tube guide 13, est tout d'abord stabilisé et uniformisé dans une zone de tranquilisation située entre la zone non chauffante amont 13a de la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 et la paroi intérieure du tube guide 15 de telle sorte que le fluide atteint la zone chauffante située entre la surface chauffante 13b de l'élément chauffant cylindrique 13 et la paroi intérieure du tube guide 15 et traverse cette zone chauffante en présentant une vitesse de circu- lation uniforme, parallèle à l'axe du canal d'écoulement 16, parallèle aux surfaces délimitant ce canal et constante en tout point de la surface chauffante 13b de l'élément chauffant cylindrique 13. A la suite de cette zone chauffante, le fluide traverse une deuxième zone de tranquilisation aval située entre la surface non chauffante aval 13c de l'élément chauffant cylindrique 13 et la paroi intérieure du tube guide 15 de manière à éviter toute perturbation dans la zone chauffante. En se reportant aux figures 3 et 4, on voit que de manière à maintenir à distance constante la surface extérieure du tube chauffant cylindrique 13 et la surface intérieure du tube guide pour que le canal annulaire 16 présente une épaisseur constante, on peut prévoir des picots qui s'étendent radialement et qui sont fixés au tube guide 15, ces picots traversant l'espace annulaire 16 et prenant appui sur la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13. Dans la variante représentée sur les figures 5 et 6, le centrage de l'élément chauffant cylindrique 13 à l'intérieur du tube guide 15 est obtenu par des déformations locales 22, vers l'inté- rieur, du tube guide 15 qui viennent en appui contre la surface exté- rieure de l'élément chauffant cylindrique 13. En se reportant aux figures 7 et 8, on voit qu'on a représenté un dispositif de chauffage électrique repéré d'une manière 7 2560362 générale par la référence 23 qui présente un corps cylindrique 24 équivalent au corps cylindrique 2 du dispositif de chauffage électri- que I et qui renferme un échangeur de chaleur 25a central et six échangeurs de chaleur 25b à 25, périphériques qui sont équivalents à l'échangeur de chaleur 12 du dispositif de chauffage électrique 1. Chaque échangeur de chaleur 25a à 25. est monté dans le corps cylin- drique 24 de manière équivalente au montage de l'échangeur de chaleur 12 dans le corps cylindrique 2 du dispositif de chauffage électrique I de telle sorte que leurs canaux d'écoulement sont en parallèle entre une chambre amont 26 alimenté par une tubulure d'entrée 27 et une chambre aval 28 présentant une tubulure de sortie 29, ces deux chambres étant séparées par une cloison radiale 30 traversée et portant les tubes guide des échangeurs de chaleur 25a à 25g qui sont par ailleurs portés par une autre cloison 31 présentant des passages axiaux 32 tandis que leurs éléments chauffants cylindriques sont portés par la cloison d'extrémité 33 du corps cylindrique cylindrique 24 située du côté de la chambre amont 26. Le dispositif de chauffage électrique 23 représenté sur les figures 7 et 8 peut alo-rs constituer un échangeur de chaleur de très forte puissance. On peut remarquer que les dispositifs de chauffage électriques 1 et-23 sont construits d'éléments qui peuvent subir des déformations dues à la chaleur sensiblement indépendamment des uns des autres. La présente invention ne se limite pas aux exemples décrits ci-dessus. Bien d'autres variantes de réalisation sont pos- sibles sans sortir du cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide, caractérisé par le fait qu'il consiste à stabiliser et uniformiser un écoulement du fluide de manière à former une lame de fluide d'épaisseur constante et à direction d'écoulement rectiligne et à mettre en contact, orthogonalement au sens de son épaisseur, cette lame de fluide avec au moins une surface chauffante formant une paroi d'un canal d'écoulement tel que la direction d'écoulement reste rectiligne et d'épaisseur constante, le nombre de Reynolds associé à cet écoulement étant tel que l'écoulement du fluide est turbulent. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à choisir pour l'écoulement du fluide un nombre de Reynolds supérieur a 20.000. 3. Echangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 et 2, et destiné au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend un élément chauffant (13) renfermant au moins une résistance chauffante (20) et présentant une surface extérieure et un élément formant guide (15) présentant une surface parallèle à ladite surface extérieure de l'élément chauf- fant et délimitant avec cette surface extérieure de l'élément chauf- fant un canal d'écoulement (16) pour le fluide rectiligne et d'épais- seur constante, formant ladite lame de fluide, la surface de l'élé- ment chauffant (13) présentant dans le sens de l'écoulement entre la surface de l'élément chauffant (13) et la surface de l'élément guide (15), une première zone (13a) non chauffante-formant avec ladite surface de l'élément guide (15) une zone de tranquilisation amont de l'écoulement du fluide et une deuxième zone (13b) formant une surface chauffante pour le fluide. 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, carac- térisé par le fait que ladite surface de l'élément chauffant (13) comprend, en aval de sa surface chauffante (]3b) une troisième zone (13c) non chauffante, formant, avec ladite surface de l'élément guide (15), une zone de tranquilisation aval de l'écoulement du fluide. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, carac- térisé par le fait que la longueur de ladite zone de tranquilisation 9 2560362 aval est au moins égale à cinq fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 5, caractérisé par le fait que la longueur de la zone de tranquilisation amont est au moins égale à dix fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement. 7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend en amont et en aval dudit canal d'écoulement, respectivement une chambre d'admis- sion et une chambre d'évacuation pour le fluide. 8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 7, caractérisé par le fait que ledit élément chauffant est formé par un élément cylindrique (13) et ledit élément guide est formé par un tube guide cylindrique (15) coaxial audit élément chauffant cylindrique (13) et délimitant avec ce dernier un canal d'écoulement (16) de section annulaire et d'épaisseur constante entourant ledit élément chauffant cylindrique (13). 9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, carac- térisé par le fait que des moyens sont prévus pour le centrage dudit élément chauffant cylindrique (13) dans ledit tube guide cylindrique (15) de manière à maintenir à distance constante la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique et la surface intérieure dudit tube guide (15). 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, carac- térisé par le fait que lesdits moyens de centrage sont formés par des picots de centrage (21) fixés audit tube guide (15) et prenant appui sur la surface extérieure dudit élément chauffant cylindrique (13). 11. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, carac- térisé par le fait que lesdits moyens de centrage sont formés par des déformations locales (22) vers l'intérieur dudit tube guide (15) qui prennent appui sur la surface extérieure dudit élément chauffant cylindrique (13). 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps cylindrique (5) fermé à ses extrémités, renfermant au moins un 2560362 ensemble formé par ledit élément chauffant cylindrique (13) et ledit tube guide (15), cet élément- chauffant s'étendant dans le sens de l'axe dudit corps cylindrique (5) et étant porté par une paroi d'ex- trémité (4) ducorps cylindrique (5), les extrémités dudit tube guide (15) étant à distance des parois d'extrémité (3, 4) dudit corps cylindrique (5) , le corps cylindrique renfermant une cloison radiale (7) traversée par ledit tube guide (15) et délimitant dans le corps cylindrique deux chambres (8, 9) séparées qui constituent respective- ment une chambre d'alimentation et une chambre d'évacuation pour le fluide qui sont respectivement en amont et en aval du canal d'écoule- ment annulaire (16) formé entre ledit élément chauffant cylindrique (13) et ledit tube guide (15).