Brevet FR2599486A1 — publié le 19871204

"PROCEDE ET DISPOSITIF DE TWSPERT DE CHALEUK ENTRE UNE SURFACE CHAUFFANTE ET UN FLUIDE A GEA0FFER" La présente invention concerne un procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide à chauffer ainsi qu'un échangeur de chaleur notamment pour la mise en oeuvre de ce procédé et destiné au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide à chauffer, en vue notamment d'augmenter sa température ou de changer son état physique. On connaît déjà par la demande de brevet français 84 02 972 de la demanderesse un procédé et un dispositif dans lequel le fluide à chauffer circule en contact avec la surface chauffante sous la forme d'une lame de fluide. Dans ces procédé et dispositif connus, bien qu'ils soient particulièrement performants, les conditions du transfert de chaleur résident essentiellement dans la température de la surface chauffante et dans la vitesse de déplacement du fluide à chauffer sur cette surface chauffante qui est elle-même fonction du débit du fluide que l'on veut chauffer et de la géométrie adoptée. I1 peut donc se produire, dans des conditions de fonctionnement défavorable qui peuvent en particulier résulter d'un dépôt de tartre sur la surface chauffante lorsque le fluide à chauffer est de l'eau, des points ou des zones de surchauffe de la surface chauffante ou du fluide à chauffer. La présente invention a notamment pour but de rémédier et d'éviter les inconvénients ci-dessus. Elle propose pour celà un procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide à chauffer qui consiste à faire circuler dans un canal d'écoulement formé entre ladite surface chauffante et une surface d'une paroi intermédiaire de transfert de chaleur une lame de fluide d'un fluide intermédiaire circulant en circuit fermé, et à faire circuler le fluide à chauffer de telle sorte qu'il soit en contact avec une autre surface ou une surface opposée d dite paroi intermédiaire de transfert de chaleur. De la sorte, le transfert de chalet entre la surface chauffante et le fluide à chauffer d'une part s'effectue par conduction et par convexion par l'intermédiaire du fluide intermédiaire circulant en circuit fermé et d'autre part est fonction non seulement de la température de la surface chauffante et de la vitesse de circulation du fluide à chauffer mais également, notamment, de la nature, de la vitesse et de la température du fluide intermédiaire, la prévision d'un fluide intermédiaire sous forme d'une lame de fluide en contact avec la surface chauffante et circulant en circuit fermé assurant d'une part un bon transfert de chaleur depuis la surface chauffante et d'autre part une protection de cette dernière. Conformément à la présente invention, le nombre de Reynolds associé à l'écoulement du fluide intermédiaire dans ledit canal d'écoulement est de préférence tel que l'écoulement du fluide intermédiaire de ladite lame de fluide est, dans ce canal, turbulent. De préférence, ce nombre de Reynolds est choisi supérieur à 20 000. La présente invention se rapporte également à un échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus et plus particulièrement destiné au transfert de chaleur entre un élément chauffant allongé renfermant une résistance électrique chauffante et un fluide à chauffer. Cet échangeur de chaleur est tel qu'il comprend, conformément à la présente invention, au moins un tube intermédiaire dans lequel s'étend un élément chauffant allongé, des moyens pour faire circuler en circuit fermé un fluide intermédiaire, ce fluide intermédiaire circulant sous forme d'une lame de fluide dans le canal d'écoulement annulaire formé entre la surface extérieure de l'élément chauffant allongé et la surface intérieure dudit tube intermédiaire, ainsi qu'une chambre ou autre espace d'écoulement autour dudit tube intermédiaire dans lequel circule le fluide à chauffer. Conformément à présente invention, ledit tube intermédiaire peut avantageusement être prévu en forme de U dans les branches duquel s'-étendent respectivement deux éléments chauffants allongés, le fluide à chauffer circulant notamment autour des deux branches de ce tube intermédiaire. Conformément à la présente invention, les extrémités dudit tube intermédiaire débouchent de préférence, respectivement, dans deux chambres intermédiaires, lesdits moyens faisant circuler le fluide intermédiaire d'une chambre dans l'autre. Selon la présente invention, lesdites chambres intermédiaires dans lesquelles débouchent les extrémités dudit tube intermédiaire peuvent avantageusement être séparées par une cloison présentant un passage, lesdits moyens faisant circuler le fluide intermédiaire étant placés dans ce passage. Selon la présente invention, ledit élément chauffant allongé et ledit tube intermédiaire sont de préférence de section circulaire de manière à déterminer un canal d'écoulement du fluide intermédiaire de section annulaire d'épaisseur constante. Dans une variante de réalisation, l'échangeur de chaleur selon la présente invention comprend un corps creux présentant une cloison radiale délimitant d'un côté une première chambre et une cloison axiale qui relie cette cloison radiale et l'une des parois d'extrémité du corps creux de manière à déterminer une deuxième et une troisième chambre, une multiplicité de tubes intermédiaires en forme de U qui s'étendent longitudinalement dans ladite première chambre et dont les extrémités débouchent respectivement dans lesdites deuxième et troisième chambres, une multiplicité de paires d'éléments chauffants allongés qui s'étendent respectivement dans les branches desdits tubes intermédiaires, des moyens pour faire circuler en circuit fermé un fluide intermédiaire de l'une des deuxième et troisième chambres dans l'autre afin de faire circuler ce fluide intermédiaire dans lesdits tubes, et des conduits d'entrée et de sortie du fluide à chauffer dans ladite première chambre. Dans cette variante, lesdits éléments chauffants allongés peuvent avantageusement s'étendre respectivement au travers desdites première et deuxième chambres, ces éléments chauffants allongés étant alors portés par ladite paroi d'extrémité dudit corps creux. Conformément à la présente invention, des portions de cloison radiale sont de préférence prévues dans ladite première chambre pour constituer, pour le fluide à chauffer, un labyrinthe entre son entrée et sa sortie. Selon la présente invention, ladite cloison axiale peut présenter un passage de communication dans lequel est montée une roue à pales d'entraînement du fluide intermédiaire reliée à un moteur d'entraînement extérieur audit corps creux. Dans une autre variante, ledit corps creux peut présenter un conduit d'entrée et un conduit de sortie débouchant respectivement dans les deuxième et troisième chambres, entre lesquelles sont montés les moyens pour faire circuler le fluide intermédiaire en circuit fermé extérieurement audit corps creux. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un échangeur de chaleur formant chaudière électrique décrit à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin sur lequel - la figure 1 représente en coupe longitudinale un échangeur de chaleur formant chaudière conforme à la présente invention - la figure 2 représente une coupe radiale selon II-II de la chaudière représentée sur la figure 1 - la figure 3 représente une-coupe radiale selon III-III de la chaudière représentée sur la figure 1 - et la figure 4 représente en coupe longitudinale une variante de réalisation de la chaudière représentée sur la figure 1. En se reportant aux figures 1 à 3, on voit que l'échangeur de chaleur formant chaudière représenté et repéré d'une manière générale par la référence 1 comprend un corps creux cylindrique 2 formé par deux parties 3 et 4 qui sont séparées par une cloison radiale 5 et qui présente respectivement des parties cylindriques 6 et 7 et des parois radiales d'extrémité opposées 8 et 9, ces parties de corps 3 et 4 étant reliées entre elles de manière classique grâce à des brides annulaires entre lesquelles le bord périphérique de la cloison radiale 5 est inséré. Le corps creux 2 présente en outre, dans sa partie 4, une cloison axiale ou longitudinale 10 qui s'étend entre la cloison radiale 5 et la paroi d'extrémité 9 de la partie 4 du corps creux 2. Ainsi, sont formées dans le corps creux 2, d'un côté de la cloison radiale 5 et dans la partie de corps 3, une première chambre 11 et de l'autre côté de cette cloison radiale 5, dans la partie de corps 4, une deuxième et une troisième chambres 12 et 13 séparées par la cloison axiale 10. La chaudière 1 comprend en outre, dans l'exemple, trois tubes de section circulaire repérés d'une manière générale 14. Ces tubes 14 s'étendent dans la première chambre 11 et présentent deux branches parallèles longitudinales 15 et 16 dont les extrémités situées du côté de la paroi d'extrémité 8 sont reliées par un coude 17 et dont les portions d'extrémité opposées sont portées par la cloison radiale 5 et s'étendent au travers de cette dernière de manière à déboucher l'une dans la chambre 12 et l'autre dans la chambre 13. Les figures 2 et 3 montrent que les trois tubes 14 sont disposés de telle sorte que leurs branches sont régulièrement réparties sur une circonférence. Le nombre de tubes pourraient cependant être différent ainsi que leur disposition. En se reportant aux figures 1 à 3, on voit en outre que la chaudière 1 présente six éléments chauffants allongés 18 qui renferment des résistances électriques chauffantes et que l'on appelle en général des cannes. Ces éléments chauffants allongés 18 sont rectilignes et de section circulaire. Trois des éléments chauffants allongés 18 s'étendent au travers de la paroi d'extrémité 9 du corps creux 2, de la chambre 12 et plongent à l'intérieur des branches 15 des tubes 14 jusqu'au voisinage de l'amorce de leur coude 17, coaxialement aux branches 15 de manière à laisser subsister entre leur surface extérieure et les parois intérieures des branches 15 des tubes 14 des espaces annulaires d'épaisseur constante. De manière équivalente, les trois autres éléments chauffants allongés 18 s'étendent au travers de la paroi d'extrémité 9 du corps creux 2, de la chambre 13 et plongent à l'intérieur des branches 16 des tubes 14 jusqu'au voisinage de l'amorce de leur coude 17 de manière à déterminer entre leur surface extérieure et les parois intérieures des branches 16 des tubes 14 des espaces annulaires d'épaisseur constante. Les éléments chauffants allongés 18 sont d'une part portés d'une manière étanche par la paroi d'extrémité 9 du corps creux 2 et d'autre part, dans les tubes 14, grâce à des picots 19 qui s'étendent radialement dans lesdits espaces annulaires, les éléments chauffants allongés 18 présentant en outre, à l'extérieur du corps creux 2, des connexions électriques 20. Comme on le voit sur la figure 1, la partie cylindrique 6 présente, à son extrémité voisine de la cloison radiale 5, un piquage 21 formant une conduite d'entrée et au voisinage de son extrémité adjacente à la paroi d'extrémité 8, un piquage 22 formant une conduite de sortie; de manière à pouvoir faire circuler dans la chambre 11, autour des tubes 14, le fluide à chauffer, ce fluide étant contraint de suivre le parcours d'un labyrinthe déterminé par trois portions de cloisons radiales 23 dont les passages longitudinaux sont décalés. On voit en outre sur les figures l-et 2 que la partie cylindrique 7 de la partie 4 du corps creux 2 porte un premier piquage 24 qui débouche dans la chambre 12 et un second piquage 25 qui débouche dans la chambre 13. Ces deux piquages 24 et 25 sont reliés, extérieurement au corps creux 2, par une conduite 26 sur laquelle est branchée une pompe 27 susceptibles d'être entraînée par un moteur électrique 28. Un fluide intermédiaire tel que par exemple de l'eau purifiée remplit les chambres 12 et 13, les tubes 14 et la conduite extérieure 26. Lorsque la pompe 27 est entraînée, elle fait circuler ce fluide intermédiaire dans la conduite extérieure 26 et en conséquence de l'une des chambres 12 et 13 dans l'autre en passant dans les tubes 14 montés en parallèle sur ces chambres, entre la paroi intérieure de ces tubes 14 et la paroi extérieure des éléments chauffants allongés 18. Le canal d'écoulement formé entre la surface extérieure des éléments chauffants 18 et la surface intérieure des tubes 14 est telle que se forment dans ces canaux d'écoulement des lames de fluide d'épaisseur constante dans lesquelles l'écoulement est de préférence turbulent et présente un nombre de Reynolds supérieur à 20 000. La chaudière 1 représentée sur les figures 1 à 3 fonctionne de la manière suivante. Lorsque les éléments chauffants allongés sont alimentés en énergie électrique, ils chauffent le fluide intermédiaire circulant dans les tubes 14 grâce à la pompe 27. Le fluide à chauffer qui circule dans la chambre 11 du corps creux 2 est alors chauffé par la surface extérieure des tubes 14. Il ressort de ce qui précède que le fluide intermédiaire circulant dans les tubes 14 capte la chaleur émise par la surface extérieure des éléments chauffants allongés 18 et cède sur toute la longueur de ces tubes 14 de la chaleur au fluide à chauffer circulant dans la chambre 11. Le fluide intermédiaire circulant en circuit fermé et les éléments chauffants allongés 18 s'étendant quasiment sur toute la longueur des tubes 14, la température du fluide intermédiaire est sensiblement constante sur tout son volume. En outre, le taux d'élévation de température du fluide à chauffer circulant dans la chambre 11 est non seulement dépendant de sa vitesse de circulation dans cette chambre mais également de la température de la surface extérieure des éléments chauffants allongés 18 et de la vitesse de circulation du fluide intermédiaire dans les tubes 14 qui, grâce aux lames de fluide créées dans ces tubes, effectue un transfert total de la chaleur émise vers le fluide à chauffer 11, sans qu'il y ait de point de surchauffe des éléments chauffants 18, du fluide intermédiaire, des tubes 14 et du fluide à chauffer. En se reportant à la figure 4, on voit qu'on a représenté une partie 4a qui constitue une variante de réalisation de la partie 4 du corps creux 2 représenté sur les figures précédentes. Cette partie 4a présente, comme précédemment, une partie cylindrique 7a et une paroi d'extrémité 9a ainsi qu'une cloison axiale 10a qui détermine deux chambres 12a et 13a. Pour réaliser la circulation du fluide intermédiaire en circuit fermé de l'une des chambres 12a et 13a vers l'autre, il est prévu dans cette variante de réalisation une roue à pales 29 qui s'étend dans un passage 30 ménagé dans la cloison longitudinale lova. Cette roue à pales 29 est portée à l'extrémité d'un arbre radial 31 perpendiculaire à la paroi longitudinale 10a, qui s'étend au travers de la paroi cylindrique 7a et qui est relié à un moteur électrique d'entralnement 32 extérieur à la partie du corps 4a. On obtient ainsi un système de mise en mouvement du fluide intermédiaire qui est complètement équivalent au système précédent qui était, complètement, extérieur au corps creux 2. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. Bien d'autres variantes de l'échangeur de chaleur selon la présente invention sont possibles sans sortir du cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide à chauffer, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire circuler dans un canal d'écoulement formé entre ladite surface chauffante (18) et une surface d'une paroi intermédiaire (14) de transfert de chaleur une lame de fluide d'un fluide intermédiaire circulant en circuit fermé, et a' faire circuler le fluide à chauffer de telle sorte qu'il soit en contact avec une autre surface ou une surface opposée de ladite paroi intermédiaire (14) de transfert de chaleur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nombre de Reynolds associé à l'écoulement du fluide intermédiaire dans ledit canal d'écoulement est tel que l'écoulement du fluide intermédiaire de la lame de fluide est, dans ce canal, turbulent. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le nombre de Reynolds associé à l'écou- lement dudit fluide intermédiaire dans ledit canal d'écoulement est supérieur à 20 000. 4. Echangeur de chaleur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, et plus particulièrement destiné au transfert de chaleur entre un élément chauffant allongé (18) renfermant une résistance électrique chauffante et un fluide à chauffer, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un tube intermédiaire (14) dans lequel s'étend un élément chauffant allongé (18), des moyens (27, 29) pour faire circuler en circuit fermé un fluide intermédiaire, ce fluide circulant, sous forme d'une lame de fluide, dans le canal d'écoulement annulaire formé entre la surface extérieure de l'élément chauffant allongé et la surface intérieure dudit tube intermédiaire (18), ainsi qu'une chambre (11) autour dudit tube intermédiaire (14) dans laquelle circule le fluide à chauffer. 5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit tube intermédiaire (14) est en forme de U dans les branches (15, 18) duquel s'étendent respectivement deux éléments chauffants allongés (18). 6. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé par le fait que les extrémités dudit tube intermédiaire (14) débouchent respectivement dans deux chambres intermédiaires (12, 13), lesdits moyens (27, 29) faisant circuler le fluide intermédiaire d'une chambre dans l'autre. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdites chambres (12, 13) dans lesquelles débouchent les extrémités dudit tube intermédiaire sont séparées par une cloison (l0a) présentant un passage (30), lesdits moyens (29) faisant circuler le fluide intermédiaire étant placés dans ce passage (10a). 8. Echangeur de chaleur-selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que ledit élément chauffant allongé (18) et ledit tube intermédiaire (14) sont de section circulaire de manière à déterminer un canal d'écoulement du fluide intermédiaire de section annulaire d'épaisseur constante. 9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un corps creux (2) présentant une cloison radiale (5) délimitant d'un. coté une première chambre (11) et une cloison axiale (10) qui relie cette cloison radiale (5) et l'une des parois d'extrémité (9) du corps creux (2) de manière à déterminer une deuxième (12) et une troisième (13) chambres, une multiplicité de tubes intermédiaires (14) en forme de U qui s'étendent longitudinalement dans ladite première chambre (11) et dont les extrémités débouchent respectivement dans lesdites deuxième et troisième chambres (12, 13), une multiplicité de paires d'éléments chauffants (18) allongés qui s'étendent respectivement dans les branches (15, 16) desdits tubes intermédiaires (14), des moyens (27, 29) pour faire circuler en circuit fermé un fluide intermédiaire de l'une des deuxième et troisième chambres (12, 13) dans l'autre afin de faire circuler ce fluide intermédiaire dans lesdits tubes, et des conduits d'entrée et de sortie (21, 22) du fluide à chauffer dans ladite première chambre (11). 10. Echangeur de chaleur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que lesdits éléments chauffants allongés s'étendent au travers desdites première et deuxième chambres (12 13) et sont portés par ladite paroi d'extrémité (9) dudit corps creux (2). 11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendicatiosn 9 et 10, caractérisé par le fait que des portions de cloisons radiales (23) sont prévues dans ladite première chambre (11) pour constituer un labyrinthe entre son entrée et sa sortie. 12. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que ladite cloison axiale (iota) présente un passage de communication (30) dans lequel est montée une roue à pales (29) d'entrainement du fluide intermédiaire reliée à un moteur d'entraînement (32) extérieur audit corps creux (2). 13. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que ledit corps creux (2) présente un conduit d'entrée et un conduit de sortie (24, 25) débouchant respectivement dans les deuxième et troisième chambres (12, 13), entre lesquels sont montés les moyens (27) pour faire circuler le fluide intermédiaire en circuit fermé extérieurement audit corps creux (27).