Brevet FR2890435A1 — publié le 20070309

ECHANGEUR DE CHALEUR COMPRENANT UN CIRCUIT DE DIOXYDE DE CARBONE SUPERCRITIQUE Domaine technique L'invention se rattache au domaine des échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques, et plus précisément d'échangeurs thermiques fonctionnant avec un circuit de dioxyde de carbone (CO2) à haute pression. L'invention vise plus spécifiquement la structure de canaux tubulaires utilisés dans de tels 10 échangeurs, dans le but d'améliorer les performances d'échange thermique. Techniques antérieures De façon générale, les fluides à haute pression sont largement utilisés dans de multiples installations nécessitant des échanges thermiques entre un circuit de fluide et le milieu extérieur, ou entre deux circuits de fluides, qu'il s'agisse d'installations de production de froid ou d'installations de chauffage, tant dans le domaine industriel que domestique. L'utilisation de fluides à haute pression de fonctionnement nécessite des structures d'échangeur thermique résistant à des contraintes mécaniques élevées. Ces contraintes se retrouvent notamment au niveau des zones d'entrée et de sortie des échangeurs, où il est essentiel de conserver une étanchéité absolue. De même, l'emploi de fluides à haute pression oblige à utiliser des échangeurs formés de pluralité de canaux tubulaires, qui peuvent avoir une section de passage la plus réduite 25 possible, afin de conserver une bonne tenue mécanique. On conçoit donc l'intérêt de bénéficier d'échangeurs dans lesquels les transferts thermiques sont particulièrement élevés. En effet, des performances élevées en termes d'échanges thermiques se traduisent directement dans une compacité accrue de l'échangeur, et donc une réduction de l'infrastructure mécanique qui doit le supporter. Parmi les fluides utilisés à haute pression dans les échangeurs thermiques, on connaît notamment le dioxyde de carbone (CO2) qui est apprécié pour son impact écologique a priori nul sur la couche d'ozone. Le dioxyde de carbone est ainsi fréquemment utilisé dans les échangeurs thermiques à des pressions allant de 80 à 150 bars, pressions situées audelà de la pression du point critique (73 bars, 31 C). Des évaluations de certains avantages des échangeurs à CO2 supercritique sont évoqués dans les documents suivants: É Bruch, S. Colasson, A. Bontemps, J. F. Fourmigué, 2004, CFD "Approach to supercritical carbon flow in a vertical tube Comparison of upward and downward flows", me conférence internationale Gustav Lorentzen sur les fluides naturels, Glasgow, Ecosse. É Bruch, A. Bontemps, J. F. Fourmigué, S. Colasson, 2005, "Simulation numérique du 10 comportement thermohydraulique d'un écoulement de CO2 supercritique dans un tube vertical", Congrès annuel de la SFT, Reims, France. É Bruch, A. Bontemps, S. Colasson, J. F. Fourmigué, 2005, "Numerical investigation of laminar convective heat transfer of carbon dioxide flowing in vertical mini tubes in cooling conditions", International conference on heat transfer in components and systems for sustainable energy technologies, Grenoble, France. De façon générale, pour conserver les conditions d'écoulement laminaire, les vitesses de fluide au niveau des parois peuvent être relativement faibles, de l'ordre de 0,1 à 0,3 m/s, entraînant une diminution marquée du coefficient d'échange thermique, et par conséquent des performances de l'échangeur. Plus précisément, des évaluations par calcul du coefficient d'échange thermique ont été effectuées sur un échangeur au CO2 comportant des tubes lisses, et à différents niveaux de sa longueur. Celles-ci montrent que dans la zone d'entrée du tube, le coefficient d'échange thermique est relativement élevé, pratiquement égal au double de la valeur mesurée en extrémité de tube. En revanche, au-delà de la zone d'entrée du tube, les échanges thermiques diminuent fortement, et passent même en dessous de la valeur classique pour un écoulement laminaire d'un fluide monophasique comme l'eau ou l'air qui ont des propriétés physiques constantes avec la température. L'augmentation du coefficient d'échange thermique dans la partie d'entrée du tube est un effet combiné de l'établissement de l'écoulement, et de l'évolution plus prononcée des propriétés physiques du dioxyde de carbone supercritique, à cause de gradients thermiques importants. L'objectif de l'invention est d'améliorer les performances d'échange thermique des échangeurs utilisant des tubes dans lesquels circulent du dioxyde de carbone 5 supercritique. Exposé de l'invention L'invention concerne donc un échangeur thermique comprenant un circuit de dioxyde de carbone supercritique. De façon connue, ce circuit comporte une pluralité de canaux au niveau desquels ont lieu les échanges thermiques. Conformément à la présente invention, au moins une partie de ces canaux comportent des 15 irrégularités de surfaces présentes sur leurs faces internes. Par "irrégularités de surface" ou "microstructures" présentes sur la face interne des canaux, on entend toute déformation, en creux ou en relief, par rapport au profil cylindrique du canal, qui font que la section de ce même canal varie sur la longueur de ce dernier. Selon une caractéristique de l'invention, ces irrégularités sont localisées dans une zone s'étendant de l'entrée du canal jusqu'à un point situé au plus à une distance de 400 fois le diamètre du canal. Autrement dit, l'invention consiste à employer des canaux dont une partie seulement de la surface interne comporte des microstructures qui modifient l'écoulement laminaire du fluide en cassant les couches hydrauliques et thermiques. Ces irrégularités se trouvent dans la première partie du canal, en deçà d'une limite fixée à 400 fois le diamètre du tube. On doit considérer comme connu le principe général consistant à perturber l'écoulement laminaire d'un fluide, afin d'améliorer le coefficient d'échange thermique. Ce principe est largement employé dans différents types d'échangeurs thermiques tubulaires, mais également dans les échangeurs à plaques. Il consiste à provoquer les perturbations de l'écoulement sur toute la longueur de la zone d'échange constituée par le canal tubulaire. Toutefois, et contrairement donc à ce principe largement admis, il se trouve que pour les échangeurs au CO2 supercritique, la présence de microstructures ou irrégularités sur toute la longueur du canal tubulaire ne provoque pas d'amélioration du coefficient d'échange de façon globale. Au contraire, elle produit l'effet inverse, c'est-à-dire une dégradation des échanges thermiques pouvant aller jusqu'à une diminution du coefficient d'échange de plusieurs dizaines de pourcent. Ainsi, l'un les aspects principaux de l'invention consiste à utiliser des canaux comportant des irrégularités, non pas sur toute leur longueur, mais dans des zones localisées, et plus particulièrement dans la portion d'entrée du tube. L'utilisation de ces microstructures, uniquement dans une zone spécifiée, permet une augmentation sensible des transferts thermiques par rapport à un tube lisse, typiquement de l'ordre de plus de 10 %. La présence localisée des microstructures se traduit également par un avantage 20 hydraulique, dans la mesure où les pertes de charge dans le canal sont moindres, puisqu'une partie de ce dernier est exempte de reliefs. En pratique, la zone caractéristique d'implantation des irrégularités se situe en aval d'un point situé à 400 fois le diamètre du canal, étant entendu que le diamètre pris en considération est pris en faisant abstraction des irrégularités. Autrement dit, il s'agit du diamètre du cylindre régulier de plus fort diamètre s'inscrivant à l'intérieur du canal, c'est à dire venant en contact des différentes irrégularités. En d'autres termes, si des zones entre creux sont réalisées à l'intérieur d'un canal, le diamètre pris en considération est celui du tube avant réalisation de ces zones en creux. De même, si les irrégularités en relief sont réalisées à l'intérieur du canal, le diamètre pris en considération est le diamètre du tube sans irrégularité, avant réalisation de ces dernières. Les canaux peuvent préférentiellement avoir une forme générale cylindrique, avec donc une section en forme de disque. Toutefois, il est également possible d'utiliser des canaux dont la section n'est pas circulaire, mais polygonale ou en forme d'ellipse. Dans ce cas, le diamètre pris en considération pour déterminer la zone de présence des microstructures est le diamètre hydraulique, défini de façon classique comme le rapport de quatre fois la section du canal, divisé par le périmètre mouillé, c'est-à-dire la longueur du périmètre de la section considérée. Dans une forme préférentielle, les irrégularités sont présentes dans une zone s'étendant entre les points situés respectivement à 80 fois le diamètre et 200 fois le diamètre du canal, distances mesurées depuis l'entrée de ce dernier. Les irrégularités peuvent occuper tout ou partie de cette zone, sans atteindre obligatoirement les bornes indiquées. De même, le choix de cette zone préférentielle signifie que la quasitotalité des irrégularités qui ont une influence notable sur le coefficient d'échange thermique se situent dans cette zone caractéristique, sans exclure toutefois qu'un nombre beaucoup plus limité, ayant donc un effet moindre, soit présent le long du tube en dehors de cette zone caractéristique. En pratique, la répartition des irrégularités le long de la zone caractéristique peut-être uniforme ou bien encore variable le long de celle-ci, afin d'optimiser le coefficient d'échange global. En pratique, les irrégularités peuvent être réalisées sous différentes formes et par de multiples procédés. Ainsi, ces irrégularités peuvent être réalisées par des micro-ailettes, orientées avantageusement et radialement selon le tube. Il peut également s'agir d'évidements creusés sur la face interne du canal tubulaire. Ces évidements peuvent être formés selon des cannelures circonférentielles dans le canal pour former des micro-ondulations. Les profils de ces ailettes ou évidements peuvent être choisis en fonction des conditions de pression, de température et des performances souhaitées pour l'échangeur, par exemple pour ne pas fragiliser le canal. Ces différentes irrégularités peuvent être réalisées de diverses manières et notamment par usinage, fraisage, extrusion ou insertion. Bien entendu, l'invention peut s'appliquer à des échangeurs réalisés en différents matériaux comme notamment l'acier inoxydable, l'aluminium voire le cuivre. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un tube d'un échangeur conforme à l'invention. - la figure 2 est une vue en coupe de détail de la zone II de la figure 1. - la figure 3 est un ensemble de deux courbes montrant la variation du coefficient d'échange thermique sur la longueur du tube, pour un tube lisse et pour un tube conforme 15 à l'invention. Manière de réaliser l'invention. Un échangeur de thermique fonctionnant avec du CO2 supercritique comporte une pluralité de tubes, tel qu'illustré à la figure 1. Conformément à l'invention, un tel tube comporte sur sa surface interne 2 des microstructures qui forment des reliefs en creux ou en bosse. Dans la forme de réalisation illustrée dans la figure 2, ces irrégularités se présentent sous 25 la forme de cannelures 3, creusées circonférentiellement, et réparties de manière régulière sur la longueur de la zone du tube où ces irrégularités sont présentes. Conformément à l'invention, ces irrégularités sont présentes dans une zone 6 qui s'étend sur une partie seulement de la longueur du tube 1. Dans la forme illustrée à la figure 1, cette zone 6 s'étend d'un premier point 8 situé à une distance LI de l'entrée 7 du tube 1, avec LI = 80 x D, où D est le diamètre interne du tube. En référence avec la figure 2, ce diamètre D correspond au diamètre nominal du tube, sans prendre en compte les zones en creux 3. La zone caractéristique 6 s'étend, comme illustré à la figure 1, jusqu'à un point 9 situé à une distance L2 de l'entrée 7 du tube. Cette distance vaut L2 = 200 x D. La figure 3 illustre les gains en termes de coefficient d'échange obtenus grâce à l'emploi de tube conformes à l'invention. Ces courbes représentent en ordonnée le coefficient d'échange thermique, en W/m2/K, 10 calculé le long du canal tubulaire. L'axe des abscisses représente la position le long du canal, qui est donnée par une côte relative (x/D) rapportée au diamètre du tube. La courbe en traits pointillés illustre la variation du coefficient d'échange thermique dans les tubes de l'art antérieur, c'est-à-dire les tubes lisses sans microstructures de relief. On observe que le coefficient d'échange thermique atteint un maximum dans la zone d'entrée du tube, à proximité de la côte x/d = 140. Le coefficient décroît ensuite jusqu'à une valeur de l'ordre de 550 W/m2/K. La courbe en trait plein illustre la même variation du coefficient d'échange thermique, 20 pour un tube conforme à l'invention. Ainsi, dans la zone où des microstructures sont présentes, c'est-à-dire entre les côtes x/D=80 et x/D=220, on observe une très forte augmentation du coefficient d'échange thermique dans la zone de présence des microstructures par rapport au cas du tube lisse. En revanche, au-delà de la zone où sont implantées les microstructures, le coefficient d'échange thermique est légèrement inférieur à celui d'un tube lisse équivalent. En effet, au-delà de la cote x/d = 550, le coefficient d'échange thermique, dans un tube 30 conforme à l'invention, repasse au-dessus de la valeur équivalente pour un tube lisse. A titre d'exemple, un tube conforme à l'invention a été réalisé à base d'un acier inoxydable, avec un diamètre interne D de 0.5 mm et une longueur L de 334 mm. Le flux de CO2 supercritique a un débit massique de 1.77.10-5 kg/s, sous une pression de 80 bars. La température du CO2 dans l'entrée du tube est de 393 K, pour une température de la paroi du tube de 298 K. Les microstructures sont présentes sur une zone d'étendant entre 80.D, soit 40 mm et 220.D, soit 110 mm. Ces microstructures sont de forme rectangulaire, de hauteur 0,05 mm, de largeur 0,05 mm, à un pas de 3,75 mm. Le coefficient d'échange moyen calculé sur la longueur globale de ce tube est de 853 W/m2/K. Ce coefficient est calculé au moyen d'un code de calcul numérique pour écoulement de fluides, tel que notamment le logiciel FLUENT CFD (Calculations of Fluid Dynamics) distribué par la société Fluent France. Cette valeur est à comparer avec le coefficient d'échange moyen calculé pour un tube lisse, exempt donc de toute microstructure, et de même diamètre. Le coefficient moyen est dans ce cas de 739 W/m2/K, ce qui correspond donc à une augmentation de 15,3 %, grâce à la présence de la zone caractéristique des microstructures. Il ressort de ce qui précède que l'échangeur thermique conforme à l'invention présente de multiples avantages, notamment celui d'améliorer le coefficient d'échange thermique, et donc les performances globales de l'échangeur. Ces performances permettent donc d'assurer une compacité améliorée de l'échangeur, à performances thermiques égales. REVENDICATIONS 1/ Echangeur thermique, comprenant un circuit de dioxyde de carbone supercritique, ledit circuit comportant une pluralité de canaux (1), caractérisé en ce qu'au moins une partie des canaux (1) comportent des irrégularités de surface (3) présentes sur leur face interne, lesdites irrégularités (3) étant localisées à l'intérieur d'une zone (6) s'étendant jusqu'à un point situé à une distance de l'entrée (7) du canal égale au plus à 400 fois le diamètre du canal. 2/ Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé à ce que les irrégularités (3) sont présentes à l'intérieur d'une zone (6) s'étendant entre des points (8) et (9) situés à des distances de l'entrée (7) du canal égales respectivement à 80 et 220 fois le diamètre du canal. 3/ Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les canaux ont une section en forme de disque, de polygone ou d'ellipse. 4/ Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé à ce que les irrégularités sont formées par des micro-ailettes. 5/ Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé à ce que les micro- ailettes sont orientées radialement dans le canal. 6/ Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé à ce que les irrégularités sont 25 formées par des évidements creusés sur la face interne du canal.