Brevet FR3022334A1 — publié le 20151218

-1- Le domaine du dispositif de la présente invention est celui des échangeurs thermiques à fluide. Le dispositif selon l'invention crée des conditions d'échange particulières qui favorisent le transfert thermique avec une grande efficacité entre le fluide qui circule dans un conduit et dont on veut faire changer la température, à partir de celle de son environnement. L'échange thermique dans un échangeur à fluide est un sujet très connu qui est parfaitement maitrisé à la fois scientifiquement et technologiquement. Il en résulte différentes présentations qui fonctionnent par apport thermique, soit par rayonnement d'une source thermique chaude ou froide, soit par convection ou par impact ou autres systèmes, d'un fluide caloporteur, chaud ou froid, qui environne le conduit du fluide principal dont on cherche à faire changer la température, ce conduit étant généralement disposé dans une enceinte. Par rayonnement, c'est le principe du four ou de la chaudière ou d'un caisson frigorifique, par convexion ou par impact ou autres systèmes, ce sont tous les échangeurs connus sous le principe du radiateur qui utilisent un fluide caloporteur qui peut être chaud ou froid comme source de l'échange. On a ainsi par exemple, et sans limitation, des échangeurs eau/air, eau/huile, air/huile, air/carburant etc.., mais aussi des échangeurs entre deux fluides de même nature exemple air/air ou eau/eau mais d'états différents, en particulier de température et de pressions différentes ou encore de qualité différente comme par exemple : eau potable/eau non potable, qui interdit que l'on puisse les mélanger directement. Les fluides peuvent se présenter sous forme liquide ou sous forme gazeuse. Afin d'améliorer les conditions d'échange, c'est-à-dire la propagation de la chaleur, l'évolution technologique s'est attachée depuis de nombreuses années à trouver les meilleures formules de présentation des conduits, en essayant chaque -2- fois d'optimiser leurs longueurs, leurs diamètres, le sens des parcours du fluide, le choix des matériaux et les épaisseurs des conduits, les formes géométriques, les particularités extérieures et intérieures conduisant chaque fois à pro- voguer les meilleures circonstances d'échange avec comme objectif de favoriser la propagation de la chaleur à travers la ou les parois du conduit pour changer la température du fluide qui s'écoule à l'intérieur et ceci, sans trop de perte de charge. L'état de la technique actuelle est une présentation passive, le fluide circule régulièrement dans son conduit et ce sont toutes les techniques et précautions apportées à la conception de son environnement qui conditionnent la qualité de l'échange pendant le temps de son passage. Le dispositif selon l'invention, change totalement cette conception passive pour une conception active. Le dispositif selon l'invention, utilise une partie de l'énergie donnée au flux principal d'un fluide, qui lui permet de pénétrer dans le conduit et qui lui assure sa propagation, pour l'entrainer à provoquer et établir une recirculation d'une partie du flux principal par des conduits de déviation et en conséquence, dans le mouvement circulaire qui s'établit, faire en sorte que le flux partiel prélevé et entrainé dans ces conduits de déviation soit en permanence soumis aux conditions d'échange thermique du milieu extérieur et qu'en permanence, à chaque retour après mélange avec le flux principal, il change la température d'équilibre du flux principal. On peut dire que les conduits de déviations se comportent comme des écopes qui à chaque passage et en continu apportent un effet thermique complémentaire modifiant l'état du flux principal jusqu'à atteindre un équilibre. Le dispositif selon l'invention est constitué d'un canal d'entrée (1) équipé d'une buse profilée (2) disposé à l'orifice d'un conduit principal(3). Le flux principal du -3- fluide qui se présente dans le canal d'entrée sous l'action d'une pression ou d'une dépression, pénètre à travers la buse dans le conduit principal (3) et se propage dans ce conduit. Le dispositif selon l'invention dispose autour de la 5 buse et à l'entrée du conduit principal, d'une veine aérodynamique qui du fait de sa géométrie convergente/divergente (4) et du profil extérieur de la buse provoque un effet venturi en périphérie et en entrée du conduit principal (5) à l'éjection du flux principal du fluide. 10 Le dispositif selon l'invention dispose d'un ou de plu- sieurs conduits de déviation (6) qui relient l'extrémité du conduit principal (aval)(7) à son entrée (amont)(8). L'orifice du conduit de déviation placé en aval du conduit principal est l'entrée de la déviation, l'orifice placé en 15 amont est sa sortie. L'orifice de sortie du conduit de déviation est placé à hauteur de l'endroit où se produit l'effet venturi. L'effet venturi, qui est un effet bien connu, utilise une partie de l'énergie cinétique du flux du fluide principal 20 qui se présente à la sortie de la buse, pour accélérer localement l'écoulement et provoquer ainsi une augmentation conséquente de la pression dynamique du fluide en abaissant fortement la pression statique, la somme des deux pressions restant constante. L'abaissement de la pression statique crée 25 une dépression locale à hauteur de la sortie des conduits de déviation provoquant ainsi une aspiration et créant par le ou les conduits de déviation, le retour d'une partie du flux du fluide principal piqué en aval du conduit principal vers l'amont de ce même conduit. 30 Le dispositif selon l'invention crée donc une circula- tion permanente dans le ou les conduits de déviation (6) d'une partie du flux principal du fluide dans le sens aval vers amont tant que l'effet venturi est présent. -4-- Le dispositif selon l'invention est placé dans un environnement thermique extérieur (9) ouvert ou clos qui entretient une température d'environnement qui sera la température source de l'échange. Les conduits de déviations du dispositif selon l'invention sont immergés dans l'environnement thermique et sont en permanence soumis aux conditions d'échange de telle sorte que le flux de déviation qui y circule change d'état thermique à sa sortie. Le dispositif selon l'invention sera d'autant plus effi- cace que le flux qui circule dans le ou les conduits de déviation aura une vitesse de propagation lente, l'entrainant à une plus longue exposition à l'échange avec l'environnement thermique extérieur. Le flux qui retourne par le ou les conduits de déviation est mélangé à sa sortie au flux principal, dans l'entrée du conduit principal, et l'ensemble repart dans le conduit principal. En se mélangeant, les deux flux combinent leur état thermique selon les lois physiques bien connues entrainant un changement d'état thermique du flux principal. Le dispositif selon l'invention modifie à chaque retour et en continu l'état thermique du flux principal jusqu'à atteindre un équilibre qui dépend de l'environnement thermique (7) dans lequel est placé le dit dispositif. Le dispositif selon l'invention peut être associé en sé- rie ou en parallèle avec d'autres dispositifs identiques ou adaptés, placés dans le même environnement thermique extérieur ou dans des environnements différents afin de constituer une cascade d'échange permettant d'amplifier par accumu- lation des effets, le changement thermique du flux principal. Selon des variantes de l'invention non illustrées, le conduit principal, les conduits de dérivations et plus généralement tous les éléments du dispositif selon l'invention, peuvent être présentés avec des profils divers autres que tu- -5- bulaires, soit rectangulaires, polygonaux, ovoïdes, etc.. sans limitation de forme ou de dimension, dès lors què l'on peut reproduire l'effet venturi et le cheminement des flux. Afin d'améliorer les conditions de mélange entre le flux 5 du ou des conduits de déviation et le flux principal, le dis- positif selon l'invention' peut disposer, en sortie des conduits de déviation et dans la zone d'aspiration de l'effet venturi, d'un diffuseur radial à double effet, qui sépare le flux résultant de la déviation en deux flux secondaires en 10 leur donnant des mouvements de giration contraires qui provo- quent le cisaillement du flux principal, ce qui augmente considérablement l'efficacité du mélange thermique que l'on cherche à faire. Ce montage est parfaitement connu et utilisé dans de nombreuses applications sous le nom de Tourbilloneur 15 ou de Swirler. Le dispositif selon l'invention a une portée générale et peut être utile pour des applications industrielles, scientifiques ou domestiques. Il est de nature à changer la manière d'envisager les dispositifs d'échange thermique connus chaque 20 fois qu'il s'agit de gagner en rendement d'échange, en compacité et en coût. Il permet d'envisager de créer de nouvelles applications touchant généralement le domaine de l'environnement et de la création d'énergie renouvelable. REVENDICATIONS1) Dispositif d'échangeur thermique de fluide à recircu5 lation, caractérisé en ce qu'il comporte un canal d'entrée (1) équipé d'une buse profilée (2) disposé à l'orifice d'un conduit principal (3) par lequel pénètre le flux principal d'un fluide sous l'action d'une pression ou d'une dépression, en ce qu'il comporte autour de la buse profilée et à l'entrée 10 du conduit principal, une veine aérodynamique (4) à géométrie convergente/divergente et en ce qu'il comporte un ou plusieurs conduits de déviation (6) qui relient l'extrémité du conduit principal (aval)(7) à son entrée (amont) (8) et qui sont immergés dans un environnement thermique extérieur (9) 15 ouvert ou clos qui entretient une température d'environnement qui sera la température source de l'échange. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'éjection du flux principal du fluide en sortie de la buse, du fait du profil extérieur de la buse (2) et de la 20 veine aérodynamique (4) à géométrie convergente/divergente il se produit un effet venturi qui crée une dépression locale, dans et en amont du conduit principal. 3) Dispositif selon la revendication 1 et la revendication 2, caractérisé en ce que la dépression locale créée par 25 l'effet venturi, dans et en amont du conduit principal (5) provoque une aspiration dans le ou les conduits de déviation entrainant, une partie du flux du fluide principal prélevé en aval, à retourner en amont pour se mélanger au flux principal qui se présente, en créant ainsi une circulation continue qui 30 se maintient tant que l'effet venturi est présent. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que si le flux qui circule dans les conduits de déviation (6) est soumis aux conditions d'échange d'un environnement thermique extérieur (9)-7- qui entretient une température d'environnement qui sera la température source de l'échange, il change d'état thermique à sa sortie et ceci, d'autant plus efficacement que sa vitesse de propagation est lente. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'en se mélangeant, le flux du fluide principal et celui des déviations, combinent leur état thermique selon les lois physiques bien connues modifiant ainsi en continu l'état thermique du flux principal jusqu'à atteindre un équilibre qui dépend de l'environnement thermique (9) dans lequel est placé le dit dispositif. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait de pouvoir être associé en série ou en parallèle avec d'autres dispositifs identiques 15 ou adaptés. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait de pouvoir améliorer les conditions de mélange en disposant dans la zone d'aspiration (5) de l'effet venturi, un diffuseur radial à double effet 20 connu sous le nom de Tourbilloneur ou Swirler. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le conduit principal et les conduits de dérivations du dispositif selon l'invention, peuvent être présentés avec des profils divers 25 autres que tubulaires, comme rectangulaires, polygonaux ou ovoïdes.