Brevet FR2930982A1 — publié le 20091113

Échangeur thermique à fils creux tissés 5 Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un échangeur thermique comportant des moyens de circulation d'au moins un fluide primaire, séparé par une paroi d'au moins un fluide secondaire. État de la technique Dans les échangeurs thermiques, il importe de réaliser, dans les meilleures 15 conditions, un échange thermique entre deux fluides sans les mélanger. Les deux fluides sont classiquement séparés par une paroi et s'écoulent de part et d'autre de cette paroi. Le flux thermique traverse la paroi séparant les deux fluides, réalisant ainsi un échange thermique par convection. Le premier fluide, appelé fluide primaire, est souvent liquide ou biphasique 20 (mélange gaz/liquide). Le fluide primaire, pouvant être chaud ou froid, est classiquement distribué par un réseau de tubes généralement équipé d'ailettes. Le second fluide, appelé fluide secondaire, peut être gazeux, liquide ou encore biphasique. 25 À chaque étape de l'échange thermique entre les fluides et la paroi, la puissance échangée dépend essentiellement de la surface de la paroi, du coefficient d'échange entre les fluides et cette même paroi, ainsi que de la différence de température entre les fluides primaire et secondaire. 30 Il existe des échangeurs thermiques de type batteries à ailettes. Comme illustré à la figure 1, ces échangeurs sont constitués de tubes 1, de 10 préférence en cuivre ou en acier, dans lesquels circule le fluide primaire (eau, fluide liquide/vapeur). Des ailettes 2 planes, en acier ou aluminium, sont serties ou soudées sur les tubes. Un fluide secondaire gazeux circule perpendiculairement aux tubes, le long des ailettes 2. Ce type d'échangeur constitue la forme la plus courante dans les applications industrielles ou la climatisation de locaux. Les échangeurs thermiques de type batteries à ailettes présentent certaines limitations au niveau de leur efficacité. L'efficacité d'un échangeur peut être définie par le coefficient d'échange entre le fluide primaire et le fluide secondaire. Ce coefficient est variable selon la géométrie des ailettes et la conductivité thermique du fluide secondaire. Au niveau d'une ailette, le flux de chaleur est échangé avec le fluide secondaire au travers de l'ailette par conduction. Ce transfert par conduction génère une différence de température dans l'ailette et induit une perte d'efficacité de l'échangeur. Objet de l'invention L'invention a pour but un échangeur thermique présentant un bon coefficient d'échange entre un fluide primaire et un fluide secondaire. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'échangeur comporte au moins un module élémentaire dans lequel les moyens de circulation du fluide primaire sont constitués par une pluralité de fils creux métallique tissés, chacun ayant un diamètre interne compris entre 0,5 et 1,5 mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque module de l'échangeur 30 comporte un tissage bidirectionnel constitué par des fils de trame reliant des première et deuxième faces latérales opposées et des fils de chaîne reliant des troisième et quatrième faces latérales opposées du module, l'échangeur comportant au moins un collecteur d'alimentation en fluide primaire connecté aux première et troisième faces latérales du module. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, i o donnés à titres d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 illustre une vue en perspective d'un échangeur thermique selon l'art antérieur. 15 La figure 2 illustre schématiquement, en une vue de dessus, un module élémentaire d'un échangeur thermique selon l'invention. La figure 3 illustre une coupe selon A-A du module élémentaire selon la figure 2. Les figures 4 et 5 illustrent, en vue de dessus, deux variantes de réalisation 20 d'un module élémentaire d'un échangeur thermique selon l'invention. La figure 6 illustre, en coupe, un mode particulier de réalisation d'un échangeur thermique selon l'invention. 25 Description de modes particuliers de réalisation Un échangeur thermique est constitué par un assemblage comportant au moins un module élémentaire 3. Comme illustré aux figures 2 et 3, les moyens de circulation du fluide primaire de chaque module 3 sont constitués 30 par une pluralité de fils creux 4a, 4b métallique ayant chacun un diamètre interne compris entre 0,5 mm et 1,5 mm. Ces fils 4a, 4b sont tissés pour5 constituer le module 3. Les fils creux jouent ainsi le rôle de microcanaux tubulaires, dans lesquels circule le fluide primaire. Les fils tissés sont, de préférence, arrangés en fils de trame 4a et en fils de chaîne 4b, sensiblement perpendiculaires les uns aux autres. Ce tissage bidirectionnel permet d'obtenir un module 3 comportant quatre faces latérales, une première et une deuxième faces latérales opposées étant reliées par les fils de trames 4a, tandis qu'une troisième et une quatrième faces latérales opposées sont reliées par les fils de chaîne 4b. Comme illustré à la figure 4, les première et troisième faces latérales du module 3 peuvent être reliées à un même collecteur d'alimentation 5 permettant la circulation du fluide primaire dans tous les fils creux 4a et 4b, tout en contrôlant la pression. Le collecteur d'alimentation 5 permet d'injecter le fluide primaire dans chaque fil creux 4a, 4b. L'intégration d'un tel collecteur dans un module 3 constitué par des fils de très petit diamètre permet la circulation du fluide primaire à très haute pression, par exemple jusqu'à 150 bars. La liaison entre les extrémités des fils 4a, 4b et le collecteur 5 est, de préférence, réalisée par brasage, assurant ainsi une stabilité de la tenue mécanique et des performances thermiques dans le temps très supérieure à celle des échangeurs de type batterie à ailettes connus. Comme illustré à la figure 4, l'échangeur comporte, de préférence, au moins un collecteur d'extraction 6, connecté aux deuxième et quatrième faces du module. Cette connexion est, de préférence, également réalisée par brasage. Le module élémentaire 3 est dimensionné en fonction du diamètre des fils 4a, 4b constituant les microcanaux. La longueur d'un fil creux, qui détermine 30 la longueur et la largeur d'un module 3, est, de préférence, comprise entre 300 et 1000 fois son diamètre interne. Une telle contrainte permet de limiter les pertes de pression dans l'échangeur. À titre d'exemple, pour un diamètre interne de 0,5 mm la longueur des fils 4 est comprise entre 15 cm et 50 cm, alors que pour un diamètre interne de 1,5 mm, la longueur des fils peut être comprise entre 45 cm et 150 cm. Le dimensionnement de la longueur et de la largeur des modules en fonction du diamètre interne des fils creux peut rendre nécessaire l'association de plusieurs modules pour la réalisation d'échangeurs de grande surface active. De plus, l'association de modules élémentaires 3 simples pour la réalisation 1 o d'un échangeur thermique complet permet d'ajuster au plus près des besoins, le design et l'intégration des modules. La connexion des collecteurs d'alimentation 5 et d'extraction 6 aux fils de chaîne 4b et aux fils de trame 4a par brasage assure l'étanchéité du fluide 15 primaire. Le brasage permet la réalisation du module sans aucune liaison mécanique et sans aucun joint. Un échangeur composé d'au moins un module permet l'utilisation de fluide primaire dangereux (inflammable, ICPE � Installations Classées pour la Protection de l'Environnement �) en faible quantité grâce au diamètre interne très faible des fils creux et en l'absence 20 de volume mort dans le dispositif. Dans une variante illustrée à la figure 5, l'architecture bidirectionnelle obtenue par le tissage permet l'utilisation de deux fluides primaires distincts. Un premier fluide primaire circule dans les fils de trame 4a, tandis qu'un 25 second fluide primaire circule dans les fils de chaîne 4b. Ainsi, l'échangeur thermique comporte deux collecteurs d'alimentation 5a et 5b distincts, alimentant respectivement les fils de trame 4a et les fils de chaîne 4b. Bien entendu, les extrémités opposées des fils reliés aux collecteurs d'alimentation 5a et 5b peuvent être connectés à deux collecteurs 30 d'extractions 6a et 6b correspondants. Lors de l'utilisation de deux fluides primaires distincts, les diamètres internes et/ou externes des fils de trame 4a et de chaîne 4b peuvent êtres différents afin de minimiser les pertes de pression et/ou d'optimiser l'échange thermique entre chacun des fluides primaires et le fluide secondaire, en fonction des propriétés des fluides primaires. Comme illustré à la figure 6, un module tridimensionnel peut comporter une pluralité de modules élémentaires 3 superposés. Le module tridimensionnel est, de préférence, un parallélépipède, de section carrée si les fils de chaîne et les fils de trame ont un même diamètre et une même longueur ou de section rectangulaire si les fils de trame et les fils de chaîne sont différents. L'épaisseur d'un tel module tridimensionnel peut être de l'ordre de plusieurs centimètres. Plusieurs modules élémentaires ou plusieurs modules tridimensionnels peuvent être connectés pour former un échangeur de plus grande dimension. La rigidité d'un module est, de préférence, assurée par les collecteurs 5 et/ou 6. La souplesse résiduelle de l'ensemble permet de résister aux dilatations et aux chocs thermiques. Un module peut être réalisé dans un seul matériau. Le matériau utilisé est métallique, de préférence en cuivre, inox, aluminium ou plastique. À titre d'exemple, l'utilisation de cuivre uniquement permet d'éviter la corrosion cuivre/aluminium, générée par effet de pile dans les échangeurs thermiques actuels. De plus, la conception mono-matériau de l'échangeur thermique permet d'en faciliter le recyclage en fin de vie. La structure réalisée par tissage de fils creux permet en outre de limiter la masse de métal utilisée pour la réalisation de l'échangeur thermique.30 L'utilisation de fils creux tissés permet d'obtenir un coefficient d'échange thermique élevé entre la paroi des fils et le fluide secondaire ainsi qu'entre la paroi des fils et le fluide primaire. L'augmentation significative de la surface d'échange par l'adoption de la structure tissée permet aussi de réduire le volume de l'échangeur. Cette réduction de volume limite l'encombrement du dispositif ainsi que son poids, permettant de diminuer la quantité de fluide primaire, ce qui est avantageux lors de l'utilisation de produits dangereux. L'absence d'ailette permet de s'affranchir des inconvénients correspondant des échangeurs connus et de profiter pleinement d'un bon coefficient d'échange du côté du fluide secondaire. En fonctionnement, le fluide primaire est injecté dans les fils creux, tandis que le fluide secondaire, de préférence constitué par de l'air, circule au travers du tissage, c'est-à-dire sensiblement perpendiculairement au plan du module élémentaire 3. Dans le cas d'un système de refroidissement, le fluide primaire peut être de l'eau, qui est injectée chaude dans l'échangeur, un ventilateur brassant de l'air servant de fluide secondaire. Ainsi, la chaleur est transférée à l'air par convection forcée, permettant le refroidissement du liquide. Un échangeur thermique tel que décrit ci-dessus permet le refroidissement, le chauffage, la condensation ou l'évaporation d'un fluide primaire grâce à la circulation d'un fluide secondaire. Les fluides pouvant être utilisés sont extrêmement variés et dépendent évidemment du procédé industriel dans lequel s'intègre l'échangeur. Un échangeur peut être utilisé dans la sphère domestique ou industrielle et apporter une réponse technique et économique notamment dans les domaines suivants : le chauffage et le conditionnement de l'air dans un local d'habitation ou de bureaux la réfrigération de l'air dans une vitrine frigorifique, la récupération de chaleur sur des gaz (combustion, séchage, etc.), les évaporateurs et condensateurs de pompe à chaleur ou de groupe de production de froid air/air, air/eau, eau/eau, etc, la condensation de buées dans les procédés chimiques. 9 Revendications1. Échangeur thermique comportant des moyens de circulation d'au moins un fluide primaire, séparé par une paroi d'au moins un fluide secondaire, échangeur caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module élémentaire (3) dans lequel les moyens de circulation du fluide primaire sont constitués par une pluralité de fils creux (4a,4b) métallique tissés, chacun ayant un diamètre interne compris entre 0,5 et 1,5 mm. io 2. Échangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque module élémentaire (3) comporte un tissage bidirectionnel constitué par des fils de trame (4a) reliant des première et deuxième faces latérales opposées et des fils de chaîne (4b) reliant des troisième et quatrième faces 15 latérales opposées du module, l'échangeur comportant au moins un collecteur d'alimentation (5) en fluide primaire connecté aux première et troisième faces latérales du module. 3. Échangeur thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que 20 l'échangeur comporte au moins un collecteur d'extraction (6) connecté aux deuxième et quatrième faces latérales du module. 4. Échangeur thermique selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux collecteurs d'alimentation (5a,5b) distincts 25 alimentant respectivement les fils de trame (4a) et les fils de chaîne (4b) avec des fluides primaires différents. 5. Échangeur thermique selon la revendication 4 caractérisé en ce que les diamètres des fils de trame (4a) sont différents des diamètres des fils de 30 chaîne (4b).io 6. Échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de modules élémentaires (3) superposés constituant un module tridimensionnel.