Brevet FR2704452A1 — publié le 19941104

DISPOSITIF MéLANGEUR DE FLUIDE ET ECHANGEUR DE CHALEUR COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF La présente invention concerne les dispositifs mélangeurs de fluide en écoulement laminaire et les échangeurs de chaleur comprenant de tels dispositifs Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive dans le domaine des transferts thermiques et notamment du chauffage de fluide de forte viscosité par l'intermédiaire d'un échangeur tubulaire ou à plaque tubulaire. Par forte viscosité il faut entendre une viscosité supérieure à quelques centipoises. On sait que les fluides de forte viscosité sont mauvais conducteurs de la chaleur. Dans le cas d'écoulement dans un tube d'échangeur, le transfert thermique entre la paroi chaude et le centre du tube se fait donc difficilement, engendrant un profil de températures, en coupe transversale perpendiculaire à l'axe de l'écoulement, de forme parabolique. Pour remédier à cet inconvénient, il a été propose des mélangeurs statiques agencés pour brasser les différentes veines de fluides internes au tube. Ces mélangeurs sont constitués de pièces métalliques créatrices de turbulences dans 1 'écoulement laminaire. Ils permettent d'obtenir une bonne homogénéisation thermique mais présentent cependant des inconvénients. Ils créent en effet des pertes de charges importantes et posent des problèmes de nettoyage. De plus ils doivent en général être disposés sur des parties droites de tubes. Dans le cas d'échangeur électrique, où les tubes sont chauffés par courant électrique, il est cependant impossible de les placer dans les parties droites chauffantes et sous tension desdits tubes. I1 faut alors prévoir des manchons supplémentaires spéciaux hors tension, ce qui pose entre autre des problèmes d'encombrement. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et à fournir un dispositif mélangeur de fluide, et un échangeur muni d'un tel dispositif, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'un tel dispositif engendre de faibles pertes de charges, en ce qu'il est facile à nettoyer par solution chimique, et en ce qu'il utilise les coudes des faisceaux tubulaires, en général considérés comme des portions dites "mortes", notamment dans le cas d'une application à un échangeur thermique électrique. Dans ce but l'invention propose essentiellement un dispositif mélangeur de fluide, caractérise en ce qu'il comprend un coude tubulaire muni à une première extrémité d'un entonnoir interne s'étendant sur une portion dudit coude, ledit entonnoir comprenant - du coté extérieur au coude, une extrémité de pénétration de fluide, cylindrique, de diamètre inférieur au diamètre interne du coude et d'axe confondu avec celui de ladite première extrémité, - et du coté intérieur au coude, un bec d'évacuation de section transversale sensiblement ovale, présentant un bord périphérique dit inférieur tangent à la paroi interne du coude située d'un premier coté du coude par rapport à l'axe du coude et un bord périphérique dit supérieur sensiblement tangent à l'axe du coude, ledit coude étant muni à l'autre extrémité d'une tubulure interne cylindrique d'axe confondu avec celui de ladite extrémité, de diamètre inférieur au diamètre interne du coude, s'étendant sur une portion dudit coude, ladite tubulure comprenant - du coté intérieur au coude, une extrémité de pénétration de fluide présentant un bord périphérique dit inférieur, tangent à la paroi interne du coude située du coté du coude symétrique du premier coté par rapport à l'axe dudit coude, et un bord périphérique dit supérieur sensiblement tangent à l'axe dudit coude, - et du coté extérieur au coude, une extrémité d'évacuation de fluide. Dans le cas d'une utilisation pour chauffage de fluide visqueux, un tel dispositif permet d'inverser la veine chaude, qui jouxte la paroi chauffante du tube d'échangeur en avant du coude, avec la veine froide, qui était au centre du tube. Ce faisant la partie de fluide la plus froide dans la partie de tube située en amont du coude va être directement mise en contact avec la paroi interne du tube (transmettant la chaleur) à l'entrée de chaque portion droite de tube située en aval du coude. La transmission de chaleur se faisant alors d'une part par conduction entre la veine interne devenue chaude et la veine externe, plus froide, et d'autre part par convection forcée de la paroi chaude vers le centre, il en résulte un coefficient de transfert thermique global amélioré, et-donc un profil de répartition des températures plus homogène, dans une section perpendiculaire à l'axe d'écoulement. Dans un mode de réalisation avantageux, le diamètre externe de l'extrémité de pénétration de l'entonnoir est compris entre de l'ordre de 0,3 fois et de l'ordre de 0,8 fois le diamètre intérieur du coude. Avantageusement, le diamètre externe de l'extrémité de pénétration de l'entonnoir est de l'ordre de 0,7 fois le diamètre intérieur dudit coude. Dans un mode de réalisation également avantageux, l'entonnoir et la tubulure interne sont respectivement fixés à la paroi interne du coude uniquement par l'intermédiaire d'un cordon de soudure respectivement réalisé aux bords périphériques tangents à la paroi interne de l'entonnoir et de la tubulure, à savoir au bord périphérique dit inférieur du bec d'évacuation de l'entonnoir et au bord périphérique dit inférieur de la tubulure. Avantageusement, le coude forme un angle de 180. On a également avantageusement recours à la disposition suivante : L'entonnoir et la tubulure s'étendent chacun à l'intérieur du coude sur une longueur telle que leurs bords périphériques supérieurs se situent sensiblement dans le plan transversal central tangent à la paroi du coude située du coté du centre de courbure dudit coude. Dans un mode de réalisation avantageux, le coude est amovible et comporte, de chaque coté, une bride d'extrémité pour fixation sur un tube correspondant. Dans un autre mode de réalisation avantageux, les extrémités de pénétration de l'entonnoir et d'évacuation de la tubulure présentent chacun respectivement une partie en saillie au-delà des extrémités dudit coude. Avantageusement, la partie en saillie est comprise entre de l'ordre de 3 mm et de l'ordre de 30 mm. Dans un mode de réalisation avantageux la paroi interne du coude située d'un premier coté du coude par rapport à l'axe du coude et tangente au bord périphérique dit inférieur de l'entonnoir est la paroi interne du coude située du coté du centre de courbure dudit coude. L'invention propose également un échangeur de chaleur tubulaire comprenant un faisceau de tubes parcouru par le fluide sous pression à chauffer et utilisant des dispositifs mélangeurs tels que décrits ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte de rétention d'un second fluide sous pression propre à baigner ledit faisceau et avec lequel doivent se produire les échanges thermiques avec le premier fluide sous pression. Dans un autre mode de réalisation, l'échangeur de chaleur comprend un serpentin parcouru par le premier fluide sous pression à chauffer, muni d'au moins un dispositif mélangeur tel que décrit ci dessus, et comporte des moyens de chauffage électrique dudit premier fluide passant dans le serpentin. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels : - La figure 1 est une vue latérale, en coupe transversale, d'un dispositif selon le mode de réalisation de l'invention plus particulièrement décrit ici. - La figure 2 est une vue de face du dispositif de la figure 1. - Les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en coupe de deux modes de réalisation d'échangeur selon l'invention. Les figures 1 et 2 montrent un dispositif 1 mélangeur de fluide, par exemple en acier inox, comportant un coude 2 tubulaire, formant un angle de 180", muni à une première extrémité 3 d'un entonnoir interne 4, s'étendant sur une portion 5 du coude. L'entonnoir comprend une extrémité 6 de pénétration du fluide froid (flèche noire 7) , de diamètre externe inférieur au diamètre interne du coude 2 et confondu avec l'axe 8 de la première extrémité 3. L'entonnoir 4 comporte, du côté intérieur au coude, un bec 9 d'évacuation du fluide dans le coude, présentant un bord périphérique inférieur 10 tangent à la paroi interne 11 du coude située du coté du centre de courbure du coude, à laquelle il peut être fixé par exemple par soudage et un bord périphérique 12 dit supérieur, tangent à l'axe 13 du coude. Le dispositif comporte également à l'autre extrémité 14, une tubulure interne 15, cylindrique, de diamètre externe inférieur au diamètre interne du coude, d'axe 16 confondu avec celui de l'autre extrémité et s'étendant sur une portion 17 du coude. La tubulure comprend, du côté intérieur 18 au coude, une extrémité 19 de pénétration du fluide présentant un bord périphérique 20 dit inférieur, tangent à la paroi interne 21 du coude située du coté opposé au coté de la paroi interne avec lequel l'entonnoir est tangent, ctest-à-dire, dans l'exemple plus particulièrement décrit ici, le coté situé radialement vers l'extérieur du coude de l'aautre coté de l'axe du tube par rapport au centre de courbure, avec une fixation sensiblement étanche, par exemple par soudage via une saillie évasée 22 en forme de collerette, et un bord périphérique 23, dit supérieur, sensiblement tangent à l'axe 13 du coude, et présentant également la saillie ou lèvre 23 dirigée vers l'extérieur de la tubulure pour mieux collecter le fluide chaud (flèches blanches 24) en le guidant partiellement. Le fluide ressort ensuite du côté extérieur au coude par l'extrémité d'évaluation 25 cylindrique centrée avec l'axe 16. Le rapport entre diamètre interne du tube et diamètre externe des extrémités 6 de l'entonnoir 4, et 25 de la tubulure 15, est par exemple de l'ordre de 0,7. Les extrémités 6 et 25 sont par ailleurs fixées à la paroi interne du coude par exemple par l'intermédiaire de trois supports 26 répartis à 120", constitués par des petites plaques métalliques rectangulaires et soudées au niveau des extrémités 3 et 14 du coude, sur une petite profondeur, par exemple quelques millimètres. Dans le mode de réalisation plus particulièrement décrit ici, le coude est amovible et comporte de chaque côté une bride 27 de fixation sur les tubes (non représentée) qu'il prolonge et connecte entre eux. Les extrémités de pénétration 6 de l'entonnoir, et d'évacuation 25 de la tubulure, présentent chacune une partie en saillie au-delà des brides d'extrémités 27, par exemple de plusieurs centimètres. Avantageusement les bords périphériques supérieurs 12 et 23 se trouvent sensiblement dans le plan 28 transversal, perpendiculaire aux axes 8 et 16 et tangent à la paroi 29 située du côté du centre de courbure du coude. On a représenté schématiquement sur les figures 3 et 4, des échangeurs de chaleur comportant des dispositifs selon l'invention. La figure 3 montre un échangeur 30 comprenant un boîtier calorifugé 30' contenant un serpentin 31 de circulation d'un fluide visqueux 32. Le serpentin comprend des parties tubulaires droites 33 et des coudes 34 à l80, , de jonction entre parties tubulaires droites. Chacun de ces coudes comprend un dispositif 35 selon l'invention d'inversion des veines chaudes 36, annulaires, situées à la périphérie des tubes en amont des coudes, avec les veines froides 37, cylindriques, situées au centre des tubes. Les tronçons 38 des parties tubulaires droites 33 sont alimentés électriquement en 39, et chauffent par effet Joule. Avec l'invention le rendement thermique de l'échangeur est ainsi considérablement amélioré, sans encombrement supplémentaire. La figure 4 montre un échangeur 40 à plaque tubulaire comportant un faisceau 41 de tubes en U renversé 42 parcouru par le fluide visqueux 43 sous pression, à réchauffer, introduit dans la boîte froide 44 et ressortant après passage dans le faisceau 41, dans la boîte chaude 45. Chaque tube en U comprend au niveau du coude 46 un dispositif 47 selon l'invention. Le fluide caloporteur 48 est par exemple introduit à contre courant en 49 dans la calandre ou enceinte de rétention 50. On va maintenant décrire le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention en se référant plus particulièrement à la figure 1. A l'entrée et au centre du coude 2 inverseur de veine, est fixé l'entonnoir 4 concentrique au tube chauffant A (non représenté) et dont le diamètre extérieur est d'environ 0,7 fois le diamètre intérieur du tube A. L'extrémité 6 pénètre de quelques millimètres dans le tube chauffant et prélève la veine de fluide froid (flèche noir 7) la deuxième extrémité de l'entonnoir est formée de manière à orienter le fluide froid sur la partie intérieure 29 du coude. Cette partie étant donc occupée par le fluide froid, le fluide chaud (flèche blanche 24) trouve son passage sur la partie extérieure et c'est là, avant la sortie du coude, que la tubulure 15 récupère le fluide chaud pour le diriger vers le centre du tube chauffant B (non représenté). Ainsi la veine froide se trouve maintenant uniformément répartie sur la paroi chaude et la veine chaude se trouve au centre du tube. Bien que l'homogénéisation obtenue avec les dispositifs selon l'invention ne soit pas parfaite, la simplicité et la facilité d'entretien de tels dispositifs pallient en fait cet inconvénient. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1,35,47) mélangeur de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un coude (2) tubulaire muni à une première extrémité (3) d'un entonnoir interne (4) s'étendant sur une portion (5) du coude, ledit entonnoir comprenant - du coté extérieur au coude, une extrémité (6) de pénétration de fluide, cylindrique, de diamètre inférieur au diamètre interne du coude et d'axe (8) confondu avec celui de ladite première extrémité, - et du coté intérieur au coude, un bec (9) d'évacuation, de section transversale sensiblement ovale, présentant un bord périphérique (10), dit inférieur, tangent à la paroi interne (11) du coude située d'un premier coté du coude par rapport à l'axe du coude et un bord périphérique (12), dit supérieur, sensiblement tangent à l'axe (13) du coude, ledit coude étant muni à l'autre extrémité (14) d'une tubulure interne (15) cylindrique, d'axe (16) confondu avec celui de ladite autre extrémité, de diamètre inférieur au diamètre interne du coude, s'étendant sur une portion (17) dudit coude, ladite tubulure comprenant: - du coté intérieur au coude, une extrémité (19) de pénétration du fluide présentant un bord périphérique (20) dit inférieur, tangent à la paroi interne (21) dudit coude située du coté du coude symétrique dudit premier coté du coude par rapport à l'axe dudit coude, et un bord périphérique (23) dit supérieur, sensiblement tangent à l'axe (3) du coude, - et du coté extérieur au coude, une extrémité (25) d'évacuation émergeant en dehors dudit coude. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre externe de l'extrémité (6) de pénétration de l'entonnoir (4) est compris entre de l'ordre de 0,3 fois et de l'ordre de 0,8 fois le diamètre intérieur dudit coude. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre externe de l'extrémité (6) de pénétration de l'entonnoir est de l'ordre de 0,7 fois le diamètre intérieur dudit coude. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entonnoir (4) et la tubulure (15) interne sont uniquement fixés à la paroi interne du coude par cordons de soudure respectivement réalisés aux bords périphériques dits inférieurs, tangents à la paroi dudit entonnoir et de ladite tubulure. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coude forme un angle de 180". 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entonnoir (4) et la tubulure (15) s'étendent chacun à l'intérieur dudit coude sur une longueur telle que leurs bords périphériques supérieurs se situent sensiblement dans le plan transversal (28) central tangent à la paroi (29) du coude située du coté du centre de courbure dudit coude. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités (6,25) de pénétration de. l'entonnoir et d'évacuation de la tubulure présentent chacun respectivement une partie en saillie au-delà des extrémité du coude. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la partie en saillie est comprise entre de l'ordre de 3 mm et de l'ordre de 30 mm. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi interne du coude située d'un premier coté du coude par rapport à l'axe du coude et tangente au bord périphérique dit inférieur de l'entonnoir est la paroi interne du coude située du coté du centre de courbure dudit coude. 10. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes au brassage de fluide de forte viscosité. 11. Echangeur (40) de chaleur à faisceau tubulaire (41) destiné à être parcouru par un premier fluide sous pression, comprenant au moins un dispositif mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'échangeur comporte une enceinte de rétention (50) d'un second fluide sous pression propre à baigner ledit faisceau et avec lequel doivent se produire les échanges thermiques avec le premier fluide sous pression. 12. Echangeur (30) de chaleur tubulaire comprenant un serpentin (31) destiné à être parcouru par un premier fluide sous pression, comprenant au moins un dispositif mélangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que il comporte des moyens de chauffage électrique (38) dudit fluide passant dans ledit faisceau.