Brevet FR2789166A1 — publié le 20000804

Procédé, système et composant pour augmenter les transferts thermiques dans un dispositif échangeur de chaleur. La présente invention concerne les procédés, les systèmes et les composants pour augmenter les transferts thermiques dans un dispositif échangeur de chaleur. L'augmentation des performances d'échange de chaleur est au coeur de l'amélioration de l'efficacité d'un échangeur, et donc au centre de l'optimisation énergétique des procédés industriels. De très nombreuses études ont été et sont consacrées à l'accroissement de transfert dans des tubes. Plusieurs options technologiques ont été étudiées. Deux de ces options consistent à positionner des inserts à l'intérieur des tubes ou à créer des réductions de section. Ces solutions présentent l'inconvénient de générer des pertes de charge supplémentaires importantes et, notamment pour la seconde, de provoquer des poches de recirculation donnant naissance à des zones chaudes o le transfert de chaleur est très faible. Une alternative est proposée paf l'utilisation de micro stries (simples ou croisées) sur la surface intérieure des tubes. Cette technique est très bien adaptée aux écoulements turbulents et conduit, dans ces conditions, à une efficacité de l'ordre de 1,2 {E = (h,/ /t Ih)/(f /fr.), f étant le coefficient de perte de charge. et hn le coefficient de transfert intérieur tube}. Cependant, il s'avère que cette technique se révèle moins efficace pour de faibles nombres de Reynolds. La présente invention propose une autre solution au problème de l'amélioration de l'efficacité d'un échangeur. Pour augmenter les transferts thermiques dans un dispositif échangeur de chaleur comprenant au moins une tubulure parcourue par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure, le procédé selon l'invention comprend l'étape de produire des contractions et des étirements successifs du fluide s'écoulant dans ladite tubulure, dans des directions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide dans ladite tubulure. Ainsi, les propriétés de mélange de ladite tubulure sont améliorées et les gradients de température au voisinage de la paroi de ladite tubulure sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroître les transferts thermiques. De préférence, le procédé selon l'invention comprend en outre l'étape d'éviter la formation de poches de recirculation dans ladite tubulure. On évite ainsi la formation de zones o le transfert thermique est très faible. Avantageusement, pour produire une succession d'étirements et de contractions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, tout en évitant la formation de poches de recirculation dans ladite tubulure, on modifie de manière périodique le profil de ladite tubulure sans sensiblement modifier sa section. La présente invention concerne également un système pour augmenter les transferts thermiques dans un dispositif échangeur de chaleur comprenant au moins une tubulure parcourue par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure. Le système selon l'invention est tel que ladite tubulure a un profil approprié pour produire des contractions et des étirements successifs du fluide, dans des directions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide dans ladite tubulure. Grâce à cette structure de la tubulure, on améliore les propriétés de mélange et on augmente les gradients de température au voisinage de la paroi de ladite tubulure. Ainsi, on accroît les transferts thermiques. De préférence en outre, ladite tubulure a une section appropriée pour éviter la formation de poches de recirculation. Ainsi, on évite la formation de zones o le transfert thermique est très faible. Avantageusement, pour produire une succession d'étirements et de contractions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide, sans entraîner la formation de poche de recirculation, on met en oeuvre une tubulure dont le profil varie de façon périodique et dont la section reste sensiblement constante. La présente invention concerne également, une dispositif échangeur de chaleur comprenant au moins une tubulure parcourue par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure. L'échangeur selon l'invention est tel que les tubulures ont un profil approprié pour produire des contractions et des étirements successifs dans des directions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide. Les propriétés de mélange des tubulures sont ainsi améliorées et les gradients de température au voisinage de la paroi des tubulures sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroître les transferts thermiques dans l'échangeur de chaleur. En outre, de préférence, le dispositif échangeur de chaleur est tel que les tubulures ont une section appropriée pour éviter la formation de poches de recirculation. De sorte que l'on évite ainsi la formation de zones o le transfert thermique est très faible. Avantageusement, pour produire une succession d'étirements et de contractions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide, sans entraîner la formation de poches de recirculation, on met en oeuvre des tubulures dont le profil varie de façon périodique et dont la section reste sensiblement constante. La présente invention concerne également un composant-tubulure destiné à la réalisation d'un dispositif échangeur de chaleur. Le composant- tubulure est destiné à être parcouru par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant. Le composant- tubulure a un profil approprié pour produire des contractions et des étirements successifs dudit fluide dans des directions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide. De sorte que les propriétés de mélange du composant-tubulure sont améliorées et que les gradients de température au voisinage de la paroi du composant-tubulure sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroître les transferts thermiques. De préférence, en outre, le composant-tubulure a une section appropriée pour éviter la formation de poches de recirculation. Ainsi, on évite la formation de zones o le transfert thermique est très faible. Avantageusement, pour produire une succession d'étirements et de contractions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide, sans entraîner la formation de poches de recirculation, le composant- tubulure est tel que son profil varie de façon périodique et que sa section reste sensiblement constante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de variantes de réalisation de l'invention, données à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et de: - la figure 1 qui représente de manière schématique une vue en perspective d'un exemple de profil des sections d'un élément tubulaire selon l'invention, - la figure 2 qui représente une vue en perspective d'un échangeur de chaleur tubulaire. On va maintenant décrire la figure 1. Le tube, initialement cylindrique, d'axe 1, est déformé de manière à réaliser, à section de passage sensiblement constant, des formes sensiblement elliptiques 2a, 2b et circulaires 3a, 3b, 3c alternées successives. Les paramètres de déformation sont l'amplitude des ondulations A et la longueur d'onde spatiale L. Le tube fait passer le fluide successivement d'une section sensiblement elliptique verticale à une section sensiblement elliptique horizontale, tout en conservant une section de passage constante. Comme le schématise la figure 1, un élément fluide est alors alternativement étiré 4 dans une direction et comprimé 5 dans la direction perpendiculaire pendant son écoulement dans le tube. Des visualisations d'écoulement d'air ont été effectuées sur un tube en PVC de diamètre égal à 40 mm déformé selon ce principe et comparées au cas d'un tube lisse. La méthode de visualisation utilisée consiste à injecter de la fumée localement au centre du tube en condition isocinétique et à observer, à l'aide d'une tranche laser, la trace de fumée dans Ia section de sortie. Dans le cas d'un tube lisse, le filet de filmée n'est pas mélangé et reste approximativement au centre du tube, ce qui est caractéristique d'un écoulement laminaire. Par contre, dans le cas d'un tube déformé (conmme celui décrit en se référant à la figure 1), la fumée est cette fois largement mélangée et atteint très rapidement la paroi. Ce phénomène, directement lié aux étirements et compressions ci-dessus décrits, a pour corollaire une augmentation du transfert de chaleur, puisque le gradient de température proche de la paroi sera, dans ce cas, augmenté de façon significative. Un tube de forme similaire en cuivre de diamètre intérieur égal à 10 nm a été testé sur une boucle hydraulique permettant les mesures simultanées des performances thermiques et des pertes de charge. L'amplitude des déformations a été fixée à 1,5 mrm, soit 25% du rayon intérieur du tube. La longueur d'onde L des déformations dans le sens de l'écoulement est égale à 60 mm, soit douze fois le rayon intérieur du tube. Le facteur d'efficacité E ci-dessus défmini vaut 1,2 pour un régime d'écoulement laminaire. Des mesures ont été effectuées pour différentes valeurs du nombre de Reynolds, pour ui tube lisse et pour un tube déformé selon l'invention. On constate que l'efficacité E est accrue en régime laminaire. On va maintenant décrire la figure 2 qui représente une vue en perspective d'un exemple d'échangeur de chaleur mettant en oeuvre des tubulures selon l'invention. Le fluide chaud est distribué par des collecteurs 19a et l9b vers les tubulures 20a, 20b, 20c, etc. Le fluide froid, circule entre les tubulures 20a, 20b, 20c dans le sens de la flèche 21. Revendications. 1. Procédé pour augmenter les transferts thermiques dans un dispositif échangeur de chaleur (fig 2) comprenant au moins une tubulure (fig 1) parcourue par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure, ledit procédé comprenant l'étape de produire des contractions (5) et des étirements (4) successifs du fluide s'écoulant dans ladite tubulure, dans des directions perpendiculaires à la direction (1) d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, de sorte que les propriétés de mélange de ladite tubulure sont améliorées et que les gradients de température au voisinage de la paroi de ladite tubulure sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroître les transferts thermiques. 2. Procédé selon la revendication 1 tel qu'il comprend en outre l'étape d'éviter la formation de poches de recirculation dans ladite 1 5 tubulure, de sorte que l'on évite ainsi la formation de zones o le transfert thermique est très faible. 3. Procédé selon la revendication 2 tel que pour produire une succession d'étirements et de contractions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, en évitant la formation de poches de recirculation dans ladite tubulure, on modifie de manière périodique (L, 3a, 2a, 3b, 2b, 3c) le profil de ladite tubulure sans sensiblement modifier sa section. 4. Système pour augmenter les transferts thermiques dans un dispositif échangeur de chaleur (fig 2) comprenant au moins une tubulure (fig 1) parcourue par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure, ledit système étant tel que ladite tubulure a un profil approprié (2a, 2b, 3a, 3b) pour produire des contractions (5) et des étirements (4) successifs du fluide s'écoulant dans ladite tubulure, lesdits étirements (4) et contractions (5) s'effectuant dans des directions perpendiculaires à la direction (1) d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, de sorte que les propriétés de mélange de ladite tubulure sont améliorées et que les gradients de température au voisinage de la paroi de ladite tubulure sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroître les transferts thermiques. 5. Système selon la revendication 4 tel que ladite tubulure a une section appropriée pour éviter la formation de poches de recirculation dans ladite tubulure, de sorte que l'on évite ainsi la formation de zones o le transfert thermique est très faible. 6. Système selon la revendication 5 tel que pour produire une succession d'étirements et de contractions perpendiculaires à la direction d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, sans entraîner la formation de poches de recirculation, on met en oeuvre une tubulure dont le profil varie de façon périodique (L,. 3a, 2a, 3b, 2b, 3c) et dont la section reste sensiblement constante. 7. Dispositif échangeur de chaleur (fig 2) comprenant au moins une tubulure (20a, 20b, 20e)) parcourue par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure, ladite tubulure ayant un profil approprié pour produire des contractions (5) et des étirements (4) successifs dudit fluide, lesdits étirements et contractions s'effectuant dans des directions perpendiculaires à la direction (1) d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, de sorte que les propriétés de mélange de ladite tubulure sont améliorées et que les gradients de température au voisinage de la paroi de ladite tubulure sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroître les transferts thermiques. 8. Dispositif échangeur de chaleur selon la revendication 7 tel que ladite tubulure a une section appropriée pour éviter la formation de poches de recirculation dans ladite tubulure, de sorte que l'on évite ainsi la formation de zones o le transfert thermique est très faible. 9. Dispositif échangeur de chaleur selon la revendication 8 tel que pour produire une succession d'étirements (4) et de contractions (5) perpendiculaires à la direction (1) d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, sans entraîner la formation de poches de recirculation, on met en oeuvre une tubulure dont le profil varie de façon périodique (L, 3a, 2a, 3b, 2b, 3c) et dont la section reste sensiblement constante. 10. Composant-tubulure (fig 1) destiné à la réalisation d'un dispositif échangeur de chaleur (fig 2), ledit composant-tubulure étant destiné à être parcouru par un fluide présentant un écart de température par rapport au milieu extérieur environnant ladite tubulure (fig 1), ladite tubulure ayant un profil approprié pour produire des contractions (5) et des étirements (4) successifs dudit fluide, lesdits étirements et contractions s'effectuant dans des directions perpendiculaires à la direction (1) d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, de sorte que les propriétés de mélange de ladite tubulure sont améliorées et que les gradients de température au voisinage de la paroi de ladite tubulure sont augmentés, ce qui a pour effet d'accroitre les transferts thermiques. 11. Composant-tubulure selon la revendication 10 tel que ladite tubulure a une section appropriée pour éviter la formation de poches de recirculation dans ladite tubulure, de sorte que l'on évite ainsi la formation de zones o le transfert thermique est très faible. 12. Composant-tubulure selon la revendication 11, pour produire une succession d'étirements (4) et de contractions (5) perpendiculaires à la direction (1) d'écoulement du fluide dans ladite tubulure, sans entraîner la formation de poches de recirculation, ledit composant- tubulure étant tel que son profil varie de façon périodique (L, 3a, 2a, 3b, 2b, 3c) et que sa section reste sensiblement constante.