Brevet FR2817953A1 — publié le 20020614

Dispositif d'échange thermique entre un élément d'apport thermique et un fluide circulant dans un conduit tubulaire L'invention est relative à un dispositif d'échange thermique destiné au chauffage ou au refroidissement d'un fluide circulant dans un conduit tubulaire, le chauffage ou le refroidissement du fluide étant obtenu par transfert thermique, au travers de la paroi dudit conduit tubulaire, de l'énergie thermique apportée par au moins un élément d'apport thermique disposé au contact de la paroi extérieure du conduit tubulaire. Le document WO 0004745 décrit un exemple d'un tel dispositif (dans ce cas un dispositif de chauffage) qui comporte un conduit tubulaire dont la paroi extérieure coopère avec une pluralité de résistances électriques uniformément réparties sur toute cette paroi. Le principal inconvénient de ce type de dispositif réside dans le mode de transmission de l'énergie thermique apportée par l'élément d'apport thermique à la paroi du conduit tubulaire, et destinée ensuite à être transmise au fluide circulant dans ledit conduit tubulaire. En effet ce mode de transmission est essentiellement un transfert par conduction, et l'obtention d'un rendement acceptable nécessite, notamment, un minimum de pertes thermiques dans cette transmission par conduction. Or, dans le dispositif décrit dans le document WO 0004745 rappelé ci-dessus la surface d'échange thermique par conduction est limitée aux seules zones de contact entre l'élément d'apport thermique constitué par la résistance et les parois de l'élément thermique ; à ce propos on remarquera d'ailleurs que dans ce dispositif, et pour obtenir des zones de contact de surface importantes et de géométrie plane, on a été amené à donner au conduit tubulaire une section en étoile, bien évidemment au prix d'un coût de fabrication du conduit tubulaire très supérieur à celui du conduit tubulaire de section circulaire. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un dispositif d'échange thermique qui possède un rendement maximum obtenu par un coefficient de transmission par conduction élevée entre l'élément d'apport thermique et les parois du conduit tubulaire, tout en restant d'un coût de fabrication faible car il peut être fait appel à des conduits tubulaires de section circulaire, et donc permettre des applications dans de nombreux domaines. Le dispositif d'échange thermique conforme à l'invention comporte un conduit tubulaire dans lequel circule un fluide avec lequel doivent s'opérer les échanges thermiques, et au moins un élément d'apport thermique en contact avec la paroi extérieure dudit conduit tubulaire, et il est caractérisé par le fait que l'ensemble constitué par ce conduit tubulaire et cet élément d'apport thermique est enrobé par un matériau rapporté, bon conducteur thermique et dont la constitution est telle qu'il présente un coefficient de dilatation compatible avec les matériaux constitutifs de l'ensemble conduit tubulaire-élément d'apport thermique, au moins dans une gamme de températures dans laquelle le dispositif est amené à fonctionner. Grâce à cette disposition, la quasi-totalité de l'énergie apportée par l'élément d'apport thermique est transmise par conduction à la paroi du conduit tubulaire qui peut donc chauffer ou refroidir le fluide en circulation avec le maximum d'efficacité. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le matériau rapporté est amené par un surmoulage de l'ensemble conduit tubulaire-élément d'apport thermique ; - l'élément d'apport thermique est constitué par au moins une résistance électrique, le dispositif étant alors destiné à réchauffer le fluide circulant dans le conduit tubulaire ; - le matériau rapporté est réalisé à partir d'un matériau métallique ; - le matériau rapporté est réalisé à partir d'un matériau non métallique ; - le matériau rapporté est réalisé à partir d'un matériau réfractaire ; - le matériau rapporté assure le maintien des éléments d'apport thermique sur la surface externe du dispositif d'échange thermique ; - le matériau rapporté est revêtu d'un calorifugeage ; - le matériau rapporté inclut un tube de refroidissement. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci vise un module d'échange thermique formé par un assemblage d'une pluralité de dispositifs selon l'invention. Dans des modes de réalisation préférés de cet aspect de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - le module d'échange thermique comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique, les conduits tubulaires respectifs étant montés en parallèle au sein de collecteurs ; - le module d'échange thermique comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique, les conduits tubulaires étant montés en série. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue en élévation d'un dispositif d'échange thermique selon l'invention, destiné au chauffage d'un fluide ; - la figure 2 est une vue en élévation latérale d'un module d'échange thermique incorporant une pluralité de dispositifs représentés en figure 1 ; - la figure 3 est une vue en élévation latérale d'une autre forme de réalisation de module d'échange thermique incorporant des dispositifs représentés en figure 1. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Sur la figure 1, on a représenté par le repère 1 un dispositif d'échange thermique destiné au chauffage, d'un fluide circulant dans un conduit tubulaire 2, le chauffage du fluide étant obtenu par transfert thermique, au travers de la paroi 3 dudit conduit tubulaire 2, de l'énergie thermique apportée par au moins un élément d'apport thermique 4 disposé au contact de la paroi 3 extérieure du conduit tubulaire 2. La section droite du conduit tubulaire 2 est dans l'exemple représenté circulaire, mais pourrait être également de forme carrée, rectangulaire, polygonale. De même la surface interne 5 du conduit tubulaire 2 représenté à la figure 1 est lisse mais pourrait aussi être rainurées ou corruguées ou bien encore présenter une pluralité de reliefs afin d'augmenter la surface d'échange. La surface interne 5 peut également être revêtue d'une couche de matériau anti-adhésif ou d'un inhibiteur de corrosion. Le matériau constitutif du conduit tubulaire 2 sera choisi parmi ceux possédant un important coefficient d'échange par conduction. Le conduit tubulaire 2 représenté en figure 1 est réalisé en inox. On pourrait par exemple réaliser ces conduits tubulaires en acier, en titane, tantale, zirconium, carbone, céramique, verre, quartz, carbure de silicium. Bien entendu, le choix du matériau du conduit tubulaire sera également déterminé en fonction du type de fluide circulant au sein du conduit ainsi que de la plage de température fonctionnement du dispositif d'échange. Sur la figure 1, on a représenté par le repère 4 le dispositif d'apport thermique. Dans cet exemple, le dispositif d'apport thermique 4 est constitué par au moins une résistance chauffante enroulée autour du conduit tubulaire 2 ou positionnée uniformément sur la paroi externe 3 de ce dernier. Cette résistance est rendue électriquement isolante du conduit-tubulaire 2 et du matériau rapporté 6 par un blindage, un gainage ou analogue. Cette résistance chauffante est reliée au réseau de distribution électrique, selon un mode de branchement monophasé ou triphasé, et dissipe de l'énergie par effet Joule qui est transmise à la paroi 3 du conduit tubulaire 2, et qui est destinée ensuite à être transmise au fluide circulant dans ledit conduit tubulaire 2. Les caractéristiques (nombre, dimension, puissance, pas d'enroulement...) de cette résistance chauffante sont adaptées en fonction des caractéristiques du fluide circulant dans ledit conduit tubulaire. Bien entendu afin d'adapter la puissance transmise au fluide, on peut adjoindre au circuit électrique d'alimentation des dispositifs d'apport thermique 4 des moyens de contrôle et de commande (non représentés sur les figures). Sur la figure 1, on a représenté par le repère 6 une couche de matériau. Ce matériau rapporté est amené par une opération de surmoulage de l'ensemble conduit tubulaire 2- élément d'apport thermique 4. Ce matériau rapporté assure le maintien sur le conduit tubulaire 2 des éléments d'apports thermiques, en l'occurrence des résistances chauffantes dans l'exemple représenté sur cette figure. Le matériau rapporté 6 est bon conducteur thermique et sa constitution est telle qu'il présente un coefficient de dilatation compatible avec les matériaux constitutifs de l'ensemble conduit tubulaire 2-élément d'apport thermique 4, au moins dans une gamme de températures dans laquelle le dispositif d'échange thermique est amené à fonctionner. Ainsi à titre d'exemple, le matériau rapporté est choisi notamment parmi les matériaux métalliques (aluminium, alliages d'aluminium, bronze, fonte...) ou parmi des matériaux non métalliques (bétons et ciments réfractaires, résines...). En variante (non représenté sur les figures), le dispositif d'échange 1 peut incorporer, au niveau de la couche de matériau rapporté, un tube de refroidissement. Par ailleurs, selon une autre variante de réalisation, le matériau rapporté 6 est revêtu d'un calorifugeage 7 afin de limiter les pertes thermiques. Sur la figure 2, on a représenté un module d'échange thermique 8 comportant une pluralité de dispositifs d'échange thermique 1, les conduits tubulaires 2 respectifs étant montés en parallèle au sein de collecteurs 9, les dispositifs d'apport thermique 4 étant reliés au réseau électrique, en série, ou en parallèle, et pilotés indépendamment ou simultanément, en fonction des caractéristiques du fluide circulant au travers des collecteurs 9. Sur la figure 3, on a représenté un autre type de module d'échange thermique 8. Dans l'exemple représenté ce module d'échange thermique 8 comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique 1, dans lequel les conduits tubulaires 2 sont montés en série. De même, le pilotage des dispositifs d'apport thermique 4 est similaire au module précédent. L'invention telle que décrite précédemment offre de multiples avantages : L'opération de surmoulage à l'aide d'un matériau conducteur thermique autour de l'ensemble conduit tubulaire - élément d'apport thermique permet d'augmenter de manière très significative la surface d'échange entre le conduit tubulaire et l'élément d'apport thermique, et donc d'améliorer le transfert thermique par conduction du fluide circulant au travers du conduit tubulaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'échange thermique (1) comportant un conduit tubulaire (2) dans lequel circule un fluide avec lequel doivent s'opérer les échanges thermiques, et au moins un élément d'apport thermique (4) en contact avec la paroi extérieure (3) dudit conduit tubulaire (2), caractérisé par le fait que l'ensemble constitué par ce conduit tubulaire (2) et cet élément d'apport thermique (4) est enrobé par un matériau rapporté (6), bon conducteur thermique et dont la constitution est telle qu'il présente un coefficient de dilatation compatible avec les matériaux constitutifs de l'ensemble conduit tubulaire (2) -élément d'apport thermique (4), au moins dans une gamme de températures dans laquelle le dispositif est amené à fonctionner. 2. Dispositif d'échange thermique selon la revendication 1, dans lequel le matériau rapporté (6) est amené par un surmoulage de l'ensemble conduit tubulaire (2) - élément d'apport thermique (4). 3. Dispositif d'échange thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'élément d'apport thermique (4) est constitué par au moins une résistance électrique, le dispositif étant alors destiné à réchauffer le fluide circulant dans le conduit tubulaire (2). 4. Dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau (6) rapporté est réalisé à partir d'un matériau métallique. 5. Dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau (6) rapporté est réalisé à partir d'un matériau non métallique. 6. Dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau rapporté (6) est réalisé à partir d'un matériau réfractaire. 7. Dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le matériau rapporté (6) assure le maintien des éléments d'apport thermique (4) sur la surface externe (3) du dispositif d'échange thermique (1). 8. Dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau rapporté (6) est revêtu d'un calorifugeage (7). 9. Dispositif d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau rapporté (6) inclut un tube de refroidissement. 10. Module d'échange thermique (8) formé par un assemblage d'une pluralité de dispositifs d'échange thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Module selon la revendication 10, dans lequel il comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique (1), les conduits tubulaires (2) respectifs étant montés en parallèle au sein de collecteurs (9). 12. Module selon la revendication 10, dans lequel il comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique (1), les conduits tubulaires (2) étant montés en série.