Brevet FR3019277A1 — publié le 20151002

Dispositif échangeur à paroi souple La présente invention a trait à un dispositif échangeur, permettant très généralement de transférer de l'énergie thermique d'un fluide vers un autre, en l'occurrence sans les mélanger. Ledit flux traverse donc une ou plusieurs surfaces d'échanges qui séparent en même temps les deux fluides. La configuration propre à l'invention concerne de surcroît deux fluides véhiculés dans des enceintes distinctes qui les canalisent, la rencontre thermique étant précisément localisée à l'endroit du ou des dispositifs échangeurs. Le but d'un tel dispositif est classiquement de refroidir, condenser, réchauffer ou évaporer un fluide pendant son passage au niveau de la ou des surfaces d'échanges. Le dispositif échangeur de la présente invention est particulièrement adapté aux échanges avec un liquide véhiculé par une conduite ou canalisation tubulaire, bien que sa conception ne le restreigne pas à ce type de géométrie. Il existe de nombreuses configurations d'échangeurs, obéissant elles-mêmes à différents modes de transfert. Ainsi, selon les versions, les deux fluides peuvent être disposés parallèlement et dans le même sens, ou à contre-courant, ou suivre des directions sensiblement perpendiculaires... Il existe par ailleurs des configurations dont l'agencement est conçu pour améliorer l'échange, par exemple en augmentant le temps de transfert de l'énergie. Il s'agit par exemple de structures dans lesquelles l'un des deux fluides emprunte un chemin tortueux - en vue de freiner son écoulement - à l'intérieur d'un réservoir contenant l'autre fluide, ou des géométries dans lesquelles l'énergie est transmise en plusieurs étapes séquentielles, l'un des fluides se réchauffant/refroidissant progressivement à mesure que l'autre se refroidit/réchauffe. Il existe enfin des échangeurs à contact direct ou à mélange, dans lesquels les deux fluides sont mis en contact : ce n'est pas le cas du dispositif de l'invention, dont l'innovation principale se situe dans une paroi d'échange interposée entre les deux fluides participant au transfert d'énergie thermique. En pratique, le dispositif échangeur de l'invention a vocation à transférer de l'énergie thermique à une structure existante, disponible comme telle pour véhiculer un liquide : on a mentionné auparavant les tuyaux et canalisations, en général tubulaires, qui transportent un fluide liquide ou gazeux dans un réseau, quelle que soit la destination de celui-ci. Une surface d'échange est par conséquent connue, constituée d'un matériau sans aptitude particulière à cette fonction, et de forme prédéterminée. Ce sont les données objectives du problème, avec une conséquence évidente pour le dispositif de l'invention : les paramètres techniques dévolus à titre essentiel au transfert thermique, leur ajustement visant notamment à l'optimisation du rendement du transfert résultent quasi exclusivement de la conception du dispositif échangeur selon l'invention. Ce dispositif comportant une enceinte close, apte à envelopper un volume véhiculant un premier fluide avec lequel le transfert d'énergie thermique est à réaliser, ladite enceinte étant prévue pour véhiculer un second fluide caloporteur et comportant au moins deux embouts tubulaires respectivement d'alimentation et d'échappement dudit fluide. Le dispositif se caractérise à titre principal en ce que l'enceinte comporte deux parois en regard conformées pour s'adapter au volume véhiculant le premier fluide, une première desdites parois constituant une surface d'échange thermique, lesdites parois étant reliées par des paires de petits côtés conformés en bandes respectivement longitudinales et transversales d'allure parallèle deux à deux, la première paroi constituant la surface d'échange thermique étant réalisée en un matériau souple thermiquement conducteur. L'invention est en réalité un échangeur à une paroi souple, qui peut le cas échéant être un échangeur condenseur lorsque se produit condensation. Cette paroi souple permet d'assurer un contact très performant avec le volume véhiculant le premier fluide car elle peut littéralement épouser la surface extérieure du vecteur de ce fluide, ce qui permet d'augmenter très significativement le coefficient d'échanges thermiques. La structure du dispositif de l'invention est en fait pensée de manière très aboutie pour s'adapter à des formes de volumes de conduits existants, sans avoir à modifier ces derniers mais en permettant un transfert d'énergie de rendement suffisant. Le fait que l'un des deux conduits de fluide soit ordinaire impose en pratique que l'autre ait un rendement très élevé. De préférence, cette première paroi constituant la surface d'échange thermique est métallique. L'échangeur thermique proposé est donc d'une conception technique très originale puisque l'une des parois de l'échangeur est souple bien qu'étant métallique. Le corollaire technique est que le dispositif de l'invention n'est pas conçu pour une pression hydraulique élevée. En fait, un tel échangeur est conçu pour résister à une pression hydraulique de l'ordre de 5 bars. Plus précisément, le métal de la première paroi constituant la surface d'échange thermique est du cuivre pur à 99%. Le choix de ce matériau permet une conductivité thermique de l'ordre de 400 W/m.K à 20°C, valeur que l'on peut comparer à la conductivité thermique de l'acier inoxydable, qui est de l'ordre de 15 W/m.K à 20°C. La conductivité thermique de la paroi en cuivre est donc 26 fois plus élevée que celle de l'acier, d'où le rendement élevé du transfert thermique, nécessaire dans le contexte de mise en oeuvre de l'invention. Le paramètre conductivité thermique est optimisé au détriment de la résistance à la pression hydraulique, qui n'est cependant pas un critère déterminant dans un tel contexte d'application. Selon une configuration possible, la seconde paroi rigidifiant l'enceinte close est fabriquée en acier. Plus précisément, cet acier peut être du type austénitique AlS1304L ou AlS13016L. Compte tenu des contraintes particulières liées au choix des matériaux, l'enceinte est telle que chaque petit côté longitudinal est d'une seule pièce avec la première paroi constituant la surface d'échange thermique. Par ailleurs, un retour prolongeant chaque petit côté longitudinal est plaqué contre la seconde grande paroi. En revanche, chaque petit côté transversal est fabriqué dans le même matériau que la seconde paroi. Ces petits côtés transversaux sont de préférence soudés de manière étanche contre les parois et les petits côtés longitudinaux. Selon l'invention, les embouts sont des embouts mâles soudés sur la première paroi constituant la surface d'échange thermique et dépassant de la seconde paroi. Par ailleurs, des déflecteurs d'allure parallèle aux petits côtés transversaux, de longueur inférieure et de largeur égale à celle desdits petits côtés transversaux, sont fixés de manière étanche alternativement sur l'un ou l'autre des petits côtés longitudinaux à la manière de chicanes. Selon une configuration possible, particulièrement adaptée aux tuyaux et conduites cylindriques, les deux parois sont hémicylindriques. L'utilisation de deux dispositifs échangeurs hémicylindriques selon l'invention pour entourer une tuyauterie tubulaire véhiculant du liquide permet de réaliser un échangeur complet, c'est-à-dire sur la totalité de la périphérie d'un tel conduit, la paroi en cuivre étant alors prévue d'un diamètre sensiblement équivalent au diamètre extérieur de la tuyauterie et placée directement au contact de sa paroi externe cylindrique. Le circuit hydraulique véhiculant le second fluide à destination et à partir de l'enceinte peut alors être partagé par les deux dispositifs. Compte tenu des propriétés mécaniques particulières du cuivre pur, et en particulier de sa ductilité, la circulation de liquide dans l'enceinte du dispositif échangeur de l'invention plaque la paroi en cuivre de manière très intime contre la surface extérieure de la tuyauterie, contribuant à optimiser très significativement les échanges thermiques entre les deux fluides. L'invention va à présent être décrite plus en détail, en référence aux figures annexées, pour lesquelles : - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif échangeur selon l'invention ; - la figure 2 est un agrandissement d'un coin de la représentation de la figure 1 ; - la figure 3 montre la paroi en cuivre sur laquelle sont soudés des embouts et des déflecteurs, toujours en vue perspective ; - la figure 4 représente une vue de face du dispositif échangeur de l'invention ; et - la figure 5 en est une vue de côté. En référence aux figures, le dispositif échangeur représenté n'est en réalité que l'un des deux vecteurs de fluide participant à l'échange d'énergie thermique. Compte tenu de sa forme semi-cylindrique, il est particulièrement destiné à être utilisé au contact de la surface extérieure d'une canalisation cylindrique (non représentée), qui est alors le conduit du second fluide participant à l'échange d'énergie thermique. Le dispositif représenté figure une enceinte (1) délimitant un volume clos dans laquelle un fluide circule via les embouts (2, 3) reliant ladite enceinte (1) à un circuit extérieur dans lequel a notamment lieu la mise en température dudit fluide. Cette enceinte (1) se compose d'une première paroi (4) réalisée en cuivre pur à 99%, qui apparaît plus en détail notamment à la figure 3. Des déflecteurs (5) agencés sous la forme de chicanes sont fixés sur ladite paroi (4) en cuivre. Ils retiennent le fluide caloporteur, dont l'écoulement s'effectue à une vitesse plus réduite et selon un trajet favorisant les échanges thermiques. Aux limites de la paroi en cuivre (4), des petits côtés transversaux (6, 7) complètent le volume constituant l'enceinte (1) avec des petits côtés longitudinaux (8, 9). Ces derniers sont en réalité d'une seule pièce avec et dans la continuité de la première paroi (4) en cuivre, comme cela apparaît en particulier en figure 2. Les petits côtés longitudinaux (8, 9) se prolongent à leur tour chacun par un retour (11, 12) rabattu contre la seconde paroi (10) en acier. La seconde paroi (10) en acier est revêtue à intervalles réguliers de cerclages (13) également en acier inoxydable se terminant en deux pattes d'extrémité (14) perforée, qui apparaissent par exemple en figures 1 et 4. Ces cerclages (13) s'arrêtent au niveau des bords libres des retours (11, 12) rabattus contre la paroi (10). Les pattes perforées (14) sont donc situées un peu plus haut que les petits côtés longitudinaux (8, 9), comme montré en figure 5. Ces cerclages (13) et leurs pattes (14) perforées permettent notamment d'associer les enveloppes (1) des dispositifs échangeurs de l'invention deux à deux, de manière à englober la totalité de la périphérie d'une canalisation ou d'une tuyauterie tubulaire. L'alimentation en fluide caloporteur des deux enveloppes (1) ainsi associées peut être effectué par un unique circuit hydraulique externe qui porte à température adéquate ledit second fluide. L'invention n'est bien entendu pas limitée à l'exemple montré dans les figures ci-dessus, mais elle englobe au contraire les variantes de forme permettant notamment l'adaptabilité du dispositif échangeur à paroi souple de l'invention à d'autres formes de conduites d'un premier fluide à refroidir ou à réchauffer. REVENDICATIONS1. Dispositif échangeur comportant une enceinte (1) close, apte à envelopper un volume véhiculant un premier fluide avec lequel le transfert d'énergie thermique est à réaliser, ladite enceinte (1) étant prévue pour véhiculer un second fluide caloporteur et comportant au moins deux embouts tubulaires (2, 3) respectivement d'alimentation et d'échappement dudit fluide, caractérisé en ce que l'enceinte (1) comporte deux parois (4, 10) en regard conformées pour s'adapter au volume véhiculant le premier fluide, une première (4) desdites parois constituant une surface d'échange thermique, lesdites parois (4, 10) étant reliées par des paires de petits côtés conformés en bandes respectivement longitudinales (8, 9) et transversales (6 , 7) d'allure parallèle deux à deux, la première paroi (4) constituant la surface d'échange thermique étant réalisée en un matériau souple thermiquement conducteur. Dispositif échangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite première paroi (4) constituant la surface d'échange thermique est métallique. Dispositif échangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le métal de la première paroi (4) constituant la surface d'échange thermique est du cuivre pur à 99%. Dispositif échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde paroi (10) rigidifiant l'enceinte close est fabriquée en acier. Dispositif échangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'acier est du type austénitique AlS1304L ou AlS13016L. Dispositif échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque petit côté longitudinal (8, 9) est d'une 30 seule pièce avec la première paroi (4) constituant la surface d'échange thermique. 15 2. 203. 4. 25 5. 6.7. Dispositif échangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un retour (11, 12) prolongeant chaque petit côté longitudinal (8, 9) est plaqué contre la seconde paroi (10). 8. Dispositif échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque petit côté transversal (6, 7) est fabriqué dans le même matériau que la seconde paroi (10). 9. Dispositif échangeur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque petit côté transversal (6, 7) est soudé de manière étanche contre les parois (4, 10) et les petits côtés longitudinaux (8, 9). 10. Dispositif échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les embouts (2, 3) sont des embouts mâles soudés sur la première paroi (4) constituant la surface d'échange thermique et dépassant de la seconde paroi (10). 11. Dispositif échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des déflecteurs (5) d'allure parallèle aux petits côtés transversaux (6, 7), de longueur inférieure et de largeur égale à celle desdits petits côtés transversaux (6, 7), sont fixés de manière étanche alternativement sur l'un ou l'autre des petits côtés longitudinaux (8, 9) à la manière de chicanes. 12. Dispositif échangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux parois (4, 10) sont hémicylindriques. 13. Utilisation de deux dispositifs échangeurs selon la revendication précédente pour entourer une tuyauterie tubulaire véhiculant du liquide.