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Echangeur de chaleur entre un gaz et un fluide à pouvoir d'échange thermique élevé
L'échange thermique entre un gaz et un fluide séparés par une paroi est difficile à réaliser économiquement si l'écart entre les températures du gaz et du fluide est faible.
La présente invention concerne un échangeur de chaleur utilisant efficacement une donnée physique bien connue, que le fil métallique est le meilleur convecteur entre un gaz et un solide, car il constitue presque entièrement un bord d'attaque.
Actuellement, ce difficile échange d'enthalpie entre un gaz et un solide est le plus souvent réalisé à l'aide de faisceaux de tubes ailetés ou d'une série de plaques parallèles serties sur des tubes dans lesquels circule le fluide.
En général, les appareils utilisant ces procédés exigent des vitesses d'air circulant entre ces plaques ou entre ces ailettes, suffisamment élevées pour obtenir un coefficient d'échange satisfaisant entre gaz et tubes.
Il en résulte une forte consommation d'énergie, et des écarts élevés de température entre gaz et fluide qu'il est difficile d'améliorer économiquement.
Le brevet belge n 08800885 déposé le 29-7-1988 a pour objet un échangeur de chaleur à fils métalliques entre un gaz et un fluide, formé d'un ensemble de panneaux unitaires d'échange constitués de deux toiles tissées en fils métalliques à haute conductibilité thermique, entre lesquelles sont soudés à intervalles des tubes métalliques disposés substantiellement parallèlement entre eux dans lesquels circule le fluide, le gaz circulant de préférence perpendiculairement aux tubes.
En vue d'accroitre les surfaces de contact entre fluides, le nombre des toiles tissées en fils métalliques peut être augmenté, par exemple doublé ou triplé.
Le panneau unitaire peut ainsi comprendre deux ensembles de 2 ou 3 toiles ou plus tissées en fils métalliques, entre lesquels sont soudés à intervalles des tubes métalliques.
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Le nombre de toiles à utiliser sera limité à 2 ou 3 toiles et de préférence à deux toiles pour des raisons de construction et d'optimisation d'un échange méthodique.
Dans le cas d'utilisation de deux ensembles de plusieurs toiles métalliques, et en vue de multiplier les ruptures de veines gazeuses, les toiles d'un même ensemble seront espacées entre leurs points de soudure au contact des tubes.
A titre d'exemple, les toiles sont espacées de quelques millimètres, par exemple 3 mm.
Les conditions de structure des toiles métalliques sont identiques à celles utilisées dans le brevet belge n 08800885.
Le gaz choisi est généralement de l'air, ce qui n'exclut pas l'utilisation d'autres gaz ou vapeurs. Le fluide circulant dans les tubes est un liquide ou un gaz, et peut résulter d'un changement d'état liquide/gaz ou gaz/liquide, ces derniers fluides possédant un très bon coefficient d'échange thermique avec la paroi intérieure du tube.
Les fluides utilisés comprennent notamment de l'eau, des solutions salines ou autres, des solvants, des liquides caloporteurs, etc....
Suivant l'invention, le panneau'unitaire comprend deux ou plusieurs toiles en fils métalliques à haute conductibilité thermique, de struc- ture et de nature quelconques, par exemple en cuivre. Ces fils ont un diamètre compris enter 0,1 et 3 millimètres, et en général compris entre 0,2 et 2 millimètres. De plus les diamètres des fils de chaîne et des fils de trame peuvent être différents.
La dimension des mailles de la toile est le résultat d'un compromis propre à chaque application, entre une structure dense des toiles pour multiplier les bords d'attaque des fils, et une ouverture suffisante de la maille, pour réduire à un niveau économique la perte de charge au cours du passage du gaz au travers des toiles.
Les fils métalliques des toiles tissées perpendiculaires aux tubes sont de préférence d'un diamètre plus élevé que les fils parallèles aux tubes.
En effet les fils de faible diamètre sont les meilleurs convecteurs ; ils conviennent pour les fils parallèles aux tubes.
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Par contre, les fils perpendiculaires aux tubes doivent avoir un diamètre suffisant pour assurer le transfert par conductibilité thermique entre ces fils et les tubes, de l'enthalpie reçue ou émise par les fils constituant les toiles.
Dans l'exposé de l'invention, les fils perpendiculaires aux tubes seront désignés par fils de chaîne, et les fils parallèles aux tubes par fils de trame. Il est évident qu'une disposition inverse pourrait être adoptée sans sortir du cadre de la présente invention.
Par exemple, on prend un fil. d'un. diamètre de 0,5 mm en chaîne, et un fil de 0,25 mm en trame ; mais il n'est pas exclu d'utiliser d'autres rapports.
Suivant une réalisation préférentielle, les surfaces de contact entre fils sont augmentées par laminage des toiles, de manière à passer d'un contact ponctuel à un contact du type ménisque entre les deux fils. Ce contact élargi favorise le transfert thermique entre fils de trame et de chaîne, et permet d'obtenir un coefficient d'échange thermique global du panneau plus élevé.
Ce laminage est réalisé sous une charge telle que seules les surfaces de contact entre fils sont augmentées, et ne modifie en aucune manière le profil des fils entre les surfaces de contact.
Le diamètre des tubes doit être choisi en fonction des caractéristiques du fluide circulant dans ces tubes, de son débit et des pertes de charge admises, tout en respectant une vitesse de nature à procurer un bon échange thermique entre le fluide et la paroi du tube métallique.
Les tubes sont d'une matière à haute conductibilité, par exemple du cuivre, et ils sont disposés de préférence à intervalles réguliers.
Ils présentent de préférence deux méplats parallèles entre eux sur lesquels sont soudées les toiles métalliques. Par soudure, on comprend également tout autre moyen de fixation, par exemple le brasage, le collage, etc.....
L'intervalle entre les tubes est fonction du diamètre des fils de chaîne et des écarts de température admissibles entre gaz et fluide. En général les tubes sont disposés substantiellement parallèlement entre eux écartés de 1 à 10 cm, le diamètre des fils de chaîne étant choisi en fonction de cet écart.
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Les tubes en général ciculaires, sont partiellement aplatis par toute méthode connue de manière à présenter deux méplats parallèles entre eux, destinés à assurer une liaison efficace entre toiles et tubes, tant en vue d'une solidité satisfaisante du panneau, qu'en vue d'un bon transfert aux tubes de l'enthalpie recueillie ou émise par les fils des toiles.
Les panneaux unitaires peuvent avoir des dimensions très variables et sont en général de sections rectangulaires ou carrées.
Les échangeurs du type revendiqué comprennent un seul panneau ou sont formés par assemblage de panneaux unitaires dont le nombre peut même dépasser 10, selon l'ampleur du gradient de température à assurer dans un échange méthodique à contre-courant entre le gaz et le fluide circulant dans les tubes.
De plus, la texture des toiles des panneaux successifs peut être différente pour s'adapter à l'évolution du transfert thermique à assurer au cours du passage du gaz au travers de l'échangeur.
Des entretoises entre les panneaux, disposées perpendiculairement aux tubes, assurent avec les tubes, la rigidité de l'ensemble des panneaux, et un écartement régulier entre deux panneaux.
Cet écartement est en général constant, mais il n'est pas exclu de le faire éventuellement varier.
Des collecteurs montés aux extrémités des tubes ou des connexions entre les extrémités des tubes de panneaux successifs, assurent la circulation du fluide ; ces collecteurs sont éventuellement munis de séparations pour adapter la circulation du fluide au niveau d'enthalpie que le gaz est susceptible de recevoir ou d'émettre. Ces sépararations permettent un échange méthodique entre gaz et fluide chaque fois que cela est nécessaire et réalisable.
Le courant gazeux est introduit de préférence perpendiculairement aux panneaux par des gaines de section en général identiques à celles de l'échangeur, la même disposition est adoptée à la sortie de 1'échangeur.
Les collecteurs ou des tôles en cas de connexions entre les extrémités des tubes de panneaux successifs servent de gaines sur deux des quatre côtés de l'échangeur ; les collecteurs sont en contact direct avec les toiles à l'extrémité des tubes ; dans le cas de connexions
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entre extrémités des tubes de panneaux successifs, une entretoise souple est montée entre les tôle et les toiles de manière à permettre la dilatation différentielle des panneaux.
Des montages adaptés aux intervalles entre toiles, et aux conditions d'emploi de l'échangeur, notamment à la pression régnant dans le circuit des gaz forment les deux autres côtés de la gaine du courant gazeux dans l'échangeur.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la Figure 1 représentant un panneau unitaire formé de deux ensembles de deux toiles métalliques entre lesquels sont soudés à intervalles des tubes métalliques disposés substantiellement parallèlement entre eux, dans lesquels circule le fluide.
Les ensembles 1 et 2 formés chacun de deux toiles 3,4 et 5,6 sont soudés respectivement aux points 7,8 et 9,10 aux tubes 11 et 12.
Les toiles sont séparées entre elles d'un espace de quelques millimètres.
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Heat exchanger between a gas and a fluid with high heat exchange power
The heat exchange between a gas and a fluid separated by a wall is difficult to achieve economically if the difference between the temperatures of the gas and the fluid is small.
The present invention relates to a heat exchanger effectively using a well-known physical datum, that the metal wire is the best convector between a gas and a solid, since it constitutes almost entirely a leading edge.
Currently, this difficult exchange of enthalpy between a gas and a solid is most often achieved using bundles of finned tubes or a series of parallel plates crimped on tubes in which the fluid circulates.
In general, devices using these methods require air velocities circulating between these plates or between these fins, sufficiently high to obtain a satisfactory exchange coefficient between gases and tubes.
This results in high energy consumption, and high temperature differences between gas and fluid which it is difficult to improve economically.
The Belgian patent n 08800885 filed on 29-7-1988 relates to a heat exchanger with metal wires between a gas and a fluid, formed of a set of unitary exchange panels made up of two fabrics woven in metal wires with high thermal conductivity, between which are welded at intervals metal tubes arranged substantially parallel to each other in which the fluid circulates, the gas preferably flowing perpendicularly to the tubes.
In order to increase the contact surfaces between fluids, the number of fabrics woven from metal wires can be increased, for example doubled or tripled.
The unitary panel can thus comprise two sets of 2 or 3 or more fabrics woven from metal wires, between which metal tubes are welded at intervals.
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The number of fabrics to be used will be limited to 2 or 3 fabrics and preferably to two fabrics for reasons of construction and optimization of a methodical exchange.
In the case of the use of two sets of several metallic fabrics, and in order to multiply the ruptures of gas streams, the fabrics of the same assembly will be spaced between their welding points in contact with the tubes.
For example, the fabrics are spaced a few millimeters apart, for example 3 mm.
The structural conditions of the metal fabrics are identical to those used in Belgian patent n 08800885.
The chosen gas is generally air, which does not exclude the use of other gases or vapors. The fluid circulating in the tubes is a liquid or a gas, and can result from a change of state liquid / gas or gas / liquid, the latter fluids having a very good coefficient of heat exchange with the interior wall of the tube.
The fluids used include in particular water, saline or other solutions, solvents, heat transfer liquids, etc.
According to the invention, the unitary panel comprises two or more fabrics made of metal wires with high thermal conductivity, of any structure and nature, for example of copper. These wires have a diameter between 0.1 and 3 millimeters, and generally between 0.2 and 2 millimeters. In addition, the diameters of the warp threads and the weft threads can be different.
The size of the mesh of the canvas is the result of a compromise specific to each application, between a dense structure of the fabrics to multiply the leading edges of the wires, and a sufficient opening of the mesh, to reduce to an economic level the pressure drop during the passage of gas through the fabrics.
The metal wires of the fabrics woven perpendicular to the tubes are preferably of a larger diameter than the wires parallel to the tubes.
Indeed, small diameter wires are the best convectors; they are suitable for wires parallel to the tubes.
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On the other hand, the wires perpendicular to the tubes must have a sufficient diameter to ensure the transfer by thermal conductivity between these wires and the tubes, of the enthalpy received or emitted by the wires constituting the fabrics.
In the description of the invention, the wires perpendicular to the tubes will be designated by warp son, and the wires parallel to the tubes by weft son. It is obvious that a reverse arrangement could be adopted without departing from the scope of the present invention.
For example, we take a thread. of one. 0.5 mm diameter in warp, and 0.25 mm wire in weft; but it is not excluded to use other reports.
According to a preferred embodiment, the contact surfaces between wires are increased by rolling the fabrics, so as to pass from a point contact to a contact of the meniscus type between the two wires. This enlarged contact promotes heat transfer between weft and warp threads, and makes it possible to obtain a higher overall heat exchange coefficient of the panel.
This rolling is carried out under a load such that only the contact surfaces between wires are increased, and does not in any way modify the profile of the wires between the contact surfaces.
The diameter of the tubes must be chosen according to the characteristics of the fluid circulating in these tubes, its flow rate and the allowed pressure drops, while respecting a speed such as to provide a good heat exchange between the fluid and the wall of the metal tube. .
The tubes are of a highly conductive material, for example copper, and they are preferably arranged at regular intervals.
They preferably have two flats parallel to each other on which the wire cloths are welded. By welding, we also understand any other means of fixing, for example brazing, bonding, etc.
The interval between the tubes depends on the diameter of the warp threads and the permissible temperature differences between gas and fluid. In general, the tubes are arranged substantially parallel to one another spaced 1 to 10 cm apart, the diameter of the warp threads being chosen as a function of this deviation.
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The tubes, generally circular, are partially flattened by any known method so as to present two parallel flats with one another, intended to ensure an effective connection between fabrics and tubes, both for a satisfactory solidity of the panel, and for '' a good transfer to the tubes of the enthalpy collected or emitted by the threads of the fabrics.
The unitary panels can have very variable dimensions and are generally of rectangular or square sections.
The exchangers of the claimed type comprise a single panel or are formed by assembly of unitary panels the number of which can even exceed 10, depending on the magnitude of the temperature gradient to be ensured in a methodical exchange against the current between the gas and the circulating fluid. in the tubes.
In addition, the texture of the fabrics of the successive panels can be different to adapt to the evolution of the heat transfer to be ensured during the passage of the gas through the exchanger.
Spacers between the panels, arranged perpendicular to the tubes, ensure with the tubes, the rigidity of all of the panels, and a regular spacing between two panels.
This spacing is generally constant, but it is not excluded to possibly vary it.
Collectors mounted at the ends of the tubes or connections between the ends of the tubes of successive panels, ensure the circulation of the fluid; these collectors are optionally provided with partitions to adapt the circulation of the fluid to the enthalpy level that the gas is capable of receiving or emitting. These separations allow a methodical exchange between gas and fluid whenever necessary and practicable.
The gas stream is preferably introduced perpendicularly to the panels by ducts of section generally identical to those of the exchanger, the same arrangement is adopted at the outlet of the exchanger.
The collectors or sheets in the event of connections between the ends of the tubes of successive panels serve as sheaths on two of the four sides of the exchanger; the collectors are in direct contact with the fabrics at the end of the tubes; in the case of connections
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between the ends of the tubes of successive panels, a flexible spacer is mounted between the sheets and the fabrics so as to allow the differential expansion of the panels.
Arrangements adapted to the intervals between fabrics, and to the conditions of use of the exchanger, in particular to the pressure prevailing in the gas circuit form the two other sides of the sheath of the gas stream in the exchanger.
The present invention will be better understood with the aid of FIG. 1 representing a unitary panel formed by two sets of two metallic fabrics between which are welded at intervals metallic tubes arranged substantially parallel to one another, in which the fluid circulates.
The assemblies 1 and 2 each formed of two cloths 3,4 and 5,6 are welded respectively at points 7,8 and 9,10 to the tubes 11 and 12.
The fabrics are separated from each other by a space of a few millimeters.