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Echangeur de chaleur à évaporation.
Les avions et les engins, volant à grande vitesse, comportent certaines parties et notamment les cabines de pilo- tage, chambres d'appareillage électronique, etc... qu'il est nécessaire de maintenir à une température déterminée.
L'échauffement adiabatique de l'air extérieur provoqué par la grande vitesse des avions ou des engins interdit l'utili- sation de cet air ambiant comme milieu susceptible d'absorber directement l'excès de chaleur à évacuer. Il est donc nécessaire d'avoir recours à une source réfrigérante autonome.
Le refroidissement d'un fluide, qu'il soit gazeux ou liquide, dans un échangeur à évaporation apporte dans de nombreux cas la solution recherchée.
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Dans ces appareils, on fait passer le fluide à refroidir dans des canaux prévus à cet effet, dont la surface d'échange est baignée par le liquide qui est porté à l'ébulli- tion. Ce liquide absorbe, de cette manière, une quantité de chaleur correspondant à sa chaleur latente de vaporisation. La nature du liquide et la pression que l'on fait régner dans l'enceinte qui le contient déterminent la température de l'ébul- lition et par conséquent 1'écart de température avec le fluide à refroidir qui devient ainsi indépendant de la vitesse de vol et de la température ambiante qui en résulte.
Jusqu'à présent, il existe deux types principaux d'évaporateur :
1 - L'évaporateur simple constitué essentiellement par une capacité qui contient tout ou partie d'une charge de liquide à évaporer et qui est mise en communication avec l'atmosphère dans laquelle se dégage la vapeur et où règne la pression pour la- quelle est prévu le fonctionnement de l'appareil. Cette capacité est traversée, dans sa partie qui contient le liquide volatil, par les canaux dans lesquels circule le fluide à refroidir.
Le principal inconvénient de ce type d'évaporateur est qu'au cours des évolutions de l'engin les tubec de circula- tion, qui constituent les parois des canaux de circulation, émergent du liquide selon l'inclinaison prise par le niveau libr de celui-ci. Il en résulte que l'efficacité de l'appareil diminue suivant la mesure dont font saillie les tubes par rap- portau liquide Comme cela est évident, des évaporateurs de ce genre ne peuvent normalement pas être utilisés lorsque l'avion ou l'engin vole sur le dos.
Pour pallier cet inconvénient, il est possible de construire des évaporateurs avec des surfaces d'échange sura- bondantes et disposées de telle façon que la partie de ces surfaces qui reste immergée, quelle que soit l'inclinaison de l'évaporateur, assure constamment le rendement thermométrique recherché. Ce palliatif conduit à un poids et un encombrement
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considérables et à une grande complication du circuit nu 1±-.<i tr: à refroidir.
2 - L'évaporateur à circulation de liquide évaporant, constitué essentiellement par un élément d'échangeur de type classique, dans lequel s'effectue le transfert de la chaleur entre le fluide à refroidir et le liquide ; dernier est dirigé, à la sortie de l'échangeur, dans une capacité contenant tout ou partie de la charge de liquide à évaporer. Cette capacité est mise en communication avec l'atmosphère dans laquelle se dégage la vapeur et où règne la pression pour laquelle est prévu le fonctionnement de l'appareil.
Cette disposition présente, par rapport à l'évapora- teur simple décrit ci-dessus, l'avantage de pouvoir fonctionner avec son rendement thermométrique maximum dans toutes les conditions, y compris en vol sur le des. On peut lui reprocher la présence d'un groupe électro-pompe avec ses inconvénients résultant du poids, de l'encombrement, de la consommation d'énergie et des risques d'avarie que comporte tout organe mobile, électrique ou mécanique.
La caractéristique commune à ces deux types d'évapo- rateurs est l'existence nécessaire d'une surface libre d'évapo- ration pour le liquide volatil, ce qui exige des dispositions particulières pour éviter toute perte de liquide au cours des évolutions de l'avion ou de l'engin.
La présente invention crée un nouvel échangeur à évaporation qui élimine les inconvénients mentionnés ci-dessus, tout en réunissant les avantages particuliers de ces deux types d'évaporateurs.
Conformément à l'invention, l'échangeur de chaleur à évaporation comporte une enveloppe le faisant communiquer avec l'atmosphère de manière qu'une partie au moins de la sur- face d'une charge de matière poreuse, contenant un liquide vola- til et enveloppant complètement un faisceau échangeur aans lequel circule un fluide à refroidir, soit constamment à la
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pression atmosphérique régnante, afin que le liquide contenu par la charge et échauffé par la circulation du fluide à refroi- dir soit soumis à une évaporation au moins partielle faisant se gonfler certaines parties de ladite charge perméable en provo- quant ainsi une circulation du liquide qu'elle contient, lequel est dirigé contre les surfaces d'échange du faisceau jusqu'à évaporation complète.
Comme cela ressort de ce qui précède, la réalisation particulière du dispositif de l'invention¯supprime la surface libre de liquide et rend en outre possible l'utilisation de l'évaporateur dans toutes les positions sans perte de liquide par l'orifice d'évacuation de vapeur.
Par ailleurs, quelles que soient les positions du dispositif, le rendement thermométrique demeure sensiblement constant.
Ce résultat est obtenu sans qu'il soit nécessaire de faire appel à la séparation des deux processus d'échange ther- mique et d'évaporation, comme c'est le cas pour les évapora- teurs à circulation dont l'électro-pompe et ses accessoires (canalisations, clapets anti-retour, soupape de surpression, @ etc...) sont supprimés.
La matière poreuse pour l'emmagasinage du liquide évaporant dans le corps de l'évaporateur est choisie, selon une autre caractéristique de l'invention, de manière qu'elle soit sans action chimique sur le liquide qui doit être conservé sans changement de nature ou d'état. En effet, selon l'inven- tion, ce liquide doit être extrait de la matière d'emmagasinage sans l'intervention d'un procédé chimique, l'effet de la vapori- sation sur les surfaces d'échange provoquant à lui seul le renouvellement du liquide sur ces surfaces. Les mouvements inverses de dégagement de vapeur et d'arrivée de liquide à la surface chauffante sont effectués naturellement. Bien enten- du il est possible, si on le désire, selon l'invention, d'ad- joindre des dispositifs mécaniques pour activer la circulation
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du liquide et de la vapeur.
On a remarqué que la matière poreuse retenant le liquide volatil doit être une matière ayant une structure stable, insensible aux chocs, aux vibrations, aux effets de la tempéra- ture, aux déformations provenant d'humidification et d'assèche- ments successifs, ainsi qu'aux effets du gel du liquide emmaga- siné.
Par ailleurs, les dimensions des pores, cellules, interstices doivent permettre l'absorption d'une forte propor- tion de liquide et assurer au moment du fonctionnement un débit permettant la consommation de liquide qui correspond au rendement thermométrique exigé.
En outre, et pour certaines applications, cette matière poreuse doit présenter une résistivité électrique et une cons- tante diélectrique élevées et il est évident que les liquides volatils à utiliser dans ces applications particulières doivent aussi présenter des propriétés analogues.
Il a été remarqué qu'il est avantageux, selon l'in- vention, de constituer la charge de matière poreuse par des fibres de verre de différentes qualités, de différents diamètres, ces fibres selon les cas étant des fibres discontinues de lon- gueurs respectives différentes ou des fibres continues délimi- tant ainsi des nappes distinctes. La nature d'une telle charge poreuse est telle que sa capillarité permet l'absorption du liquide et sa rétention dans la masse sans risque de perte par renversement de l'enveloppe dans laquelle ladite charge poreuse est placée.
Les diamètres des fibres qui sont employées fixent les dimensions des interstices, ce qui a pour effet d'influer sur la faculté de la matière à permettre un débit donné lors de l'extraction du liquide par évaporation.
Les mouvements de vapeur et de liquide au sein de la masse s'effectuent grâce à un mécanisme qui s'accomplit naturellement dans la matière. En effet, le volume oocupé par
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la matière sèche est supérieur à celui occupé par la matière imprégnée. De cette manière, les zones asséchées par l'action des surfaces chauffantes exercent ainsi une pression sur les zones encore humides, ce qui a pour effet de faire refluer le liquide vers les zones asséchées.
Bien que le dispositif selon l'invention soit destiné principalement à être utilisé, comme cela est expliqué ci-dessus, dans les avions, engins et machines volantes diverses, il est évident qu'un dispositif échangeur de chaleur à évaporation de ce genre peut trouver de nombreuses autres applications. En effet, il est possible que le refroidissement soit exercé direc- tement sur des objets divers sans passer par un agent intermé- diaire tel que le fluide refroidisseur circulant normalement dans le faisceau échangeur.
En effet, certains équipements et appareils que comportent les engins, tels que les fusées, et en particulier des appareillages électroniques, peuvent avantageu- sement être disposés dans un bottier étanche auquel ces appa- reils transmettent la chaleur à évacuer et ce bottier est, par exemple,,disposé à l'intérieur de l'enveloppe de l'évaporateur qui contient la charge de matière poreuse retenant le liquide volatil.
Dans certains cas, l'organe à refroidir peut être conçu de façon à être disposé directement à l'intérieur du corps de l'évaporateur et ainsi être placé en contact avec la matière poreuse absorbante et le liquide évaporant.
D'autres applications peuvent encore être envisagées et, en particulier, le refroidissement de moteurs thermiques dans lesquels l'enveloppe serait constituée par des chemises entourant les cylindres et contenant la charge de matière absor- bante et le liquide volatil.
Une autre application consiste dans le refroidissement de freins d'atterrissage d'avions. En effet, les tambours de freins peuvent être munis de garniture de matière absorbante imprégnée de liquide ou en communication avec un réservoir de
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liquide, l'imprégnation de la matière absorbante étant dans ce cas effectuée par exemple au moment de la sortie du train d'atterrissage.
De nombreuses autres applications peuvent encore être envisagées sans sortir du cadre de l'invention, et des modes d'exécution en sont représentés, à titre d'exemples, dans la description détaillée qui suit.
La fig. 1 'est une coupeélévation schématique d'un mode d'exécution d'un échangeur à évaporation selon l'invention.
La fig. 2 est une coupe prise suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 est une perspective schématique, à plus grande échelle, d'une partie du faisceau échangeur du dispositif.
La fige 4 est une perspective partielle schématique, à plus grande échelle, d'un mode d'exécution particulier d'un tube du faisceau échangeur.
La fig. 5 est une vue schématique illustrant une caractéristique particulière de l'invention.
La fig. 6 est une coupe transversale schématique, analogue à la fig. 2, montrant une variante.
Au dessin, le dispositif comporte une enveloppe 1 présentant, par exemple, la forme d'un bottier dont le dessus 2 délimite une buse 3 destinée à faire communiquer l'intérieur de ce bottier avec l'atmosphère. Cette enveloppe contient un faisceau 4 constitué au moyen de tubes 5' dans lesquels circule le fluide à refroidir, fluide qui peut être gazeux ou liquide..-Les tubas 5 du faisceau 4, qui font saillie de l'enveloppe 1 de l'échangeur, peuvent être constitués de nombreuses façons différentes et notamment par des tubes cylin- driques ou par des tubes plats.
La disposition des tubes dans le faisceau peut être quelconque et ces tubes, qui constituent une surface d'échange thermique directe, peuvent être reliés entre eux par des ailette: 6 (fig. 3) constituant des surfaces d'échange indirectes.
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De même, comme le montre la fig. 4, les tubes peuvent être munis intérieurement de bandes 7 pour former des surfaces d'échange indirectes pour le fluide à refroidir. Les surfaces d'échange indirectes constituées par les intercalaires 7 placés à l'intérieur des tubes, ou les ailettes et intercalaires 6 placés à l'extérieur de ces tubes,ont pour effet d'augmenter le coefficient de transmission rapporté à la surface d'échange directe constituée par les parois des tubes de circulation du fluide à refroidir.
L'enveloppe 1 contient une charge de matière spon- gieuse ou fibreuse 8 constituée par des fibres minces ou des tubes de très faible section, par un feutre ou toute matière appropriée qui sera décrit en détail ci-après.
Cette matière, qui est destinée à retenir un liquide remplissant l'enveloppe 1, entoure complètement les tubes et les ailettes extérieures du faisceau, de manière que le liquide soit toujours amené en contact avec lesdites surfaces d'échange directe et indirecte du faisceau tant que du liquide imprègne la matière 8. Le cheminement du liquide contenu par cette matière, liquide qui s'évapore lorsqu'il est amené en contact dans certaines conditions avec les surfaces d'échange du fais- ceau, peut être dirigé de manière particulière par la disposi- tion préalablement déterminée desdites ailettes 6 dont la forme et la répartition peuvent être prévues pour délimiter des trajets préférentiels de circulation du liquide à l'intérieur de 1'enveloppe.
La forme et les dimensions de l'enveloppe 1 sont déterminées de manière que cette enveloppe contienne une quanti- té de matière absorbante convenable pour assurer l'emmagasinage d'un volume de liquide choisi. Cette matière absorbante peut être en totalité d'une nature uniforme et présenter ainsi dans toute sa masse des propriétés physiques identiques. Elle peut être, au contraire, constituée en plusieurs parties pré- sentant des propriétés physiques différentes, de façon à créer,
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par exemple en certaines régions de l'enveloppe, des zones plus particulièrement réservées à l'emmagasinage du liquide et, en d'autres régions, des zones destinées à assurer l'extraction du liquide des zones précédentes et à l'acheminer vers les surfaces d'échange.
Une telle disposition est représentée à la fig. 5 suivant laquelle on place dans l'enveloppe 1 un matelas de matière 8a d'emmagasinage de liquide, matelas constitué par exemple sous la forme d'un feutre, et ce feutre est éventuel- lement séparé par une cloison perméable 9 d'une masse de matière 8b constituée par des fibres pouvant être tissées ou tressées et qui entourent et épousent les tubes du faisceau.
De mode d'exécution n'est qu'un exemple car la variété et la disposition des matières de propriétés différentes dépendentdes dimensions de l'enveloppe, de la répartition des surfaces d'échange dans la masse et de la puissance d'évapora- tion à obtenir et, par conséquent, la disposition relative des matières différentes servant à la rétention d'un liquide doit être déterminée par le calcul pour chaque type d'appareil parti- culier.
Une disposition générale, qui a été reconnue avanta- geuse, consiste à créer des zones d'emmagasinage dans les parties de l'appareil les plus éloignées des surfaces d'échange, comme cela est représenté à la fig. 5 suivant laquelle la matière 8a qui est un feutre ne présente pas de direction préférentielle pôur l'écoulement du liquide.
En contact avec la zone d'emmagasinage délimitée par la matière 8a, on peut disposer des lits ou couches distincts, éventuellement séparés les uns des autres, qui sont respecti- vement constitués par des fibres continuesprésentant ainsi une direction préférentielle à l'écoulement du liquide.
En plus de cette disposition générale représentée, il est possible d'utiliser différentes qualités de matières, choisies notamment en fonction des diamètres et des longueurs de fibres, et de
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les disposer dans les différentes parties de l'enveloppe pour assurer une alimentat:Lon en liquide des surfaces d'échange en rapport avec la puissance d'évaporation à obtenir en chaque point de ces surfaces (débit plus grand des liquides sur les surfaces les plus actives du côté de l'arrivée du fluide chaud par exemple).
Le choix des matières est déterminé de façon que les parties de ces matières qui tendent à être asséchées se gonflent pour exercer une pression sur les parties non encore asséchées et, en conséquence, il est nécessaire que la disposition des matières, à l'intérieur de l'enveloppe et entre les éléments constitutifs du faisceau échangeur 4, soit telle que la matière puisse librement se dilater et se rétracter. Par contre, les parties limitant extérieurement la masse de matière sont indé- formables. La masse de matière peut être limitée, par exemple et en particulier au droit de la région de l'enveloppe réservée à la sortie de vapeur, par une grille perforée 10 qui maintient la matière en position.
De même il est avantageux de recouvrir la masse de matière par une ou des plaques 11 en matière frittée et notamment en verre fritté de grande perméabilité.
Lorsque le dispositif évaporateur décrit ci-dessus doit être utilisé sur un avion ou un engin, il est essentiel que le dispositif ne contienne que la quantité de liquide indis- pensable à son fonctionnement et correspondant à la quantité que peut absorber la matière dont il est constitué. En effet, tout remplissage excédentaire entratne le transport d'un poids de liquide inutile qui serait rejeté au cours de l'évolution de l'avion ou de l'engin et, par conséquent, il en résulterait des pertes de liquide qui pourraient être onéreuses et quelque- fois dangereuses dans le cas de liquides particuliers.
Afin qu'une quantité de liquide appropriée soit chargée, on procède avantageusement comme cela est représenté à la fig. 6. Dans cette figure, la masse de matière absorbante 8 est placée dans une enveloppe intérieure 12 qui s'étend sur
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toutes les faces, ou seulement sur certaines des faces de l'appareil, à quelques millimètres de l'enveloppe extérieure 1, lknveloppe ou partie d'enveloppe intérieure est perforée tout en étant indéformable.
Lors du remplissage par une buse 13, le liquide est introduit en quantité suffisante pour occuper la totalité de la capacité qui lui est offerte. Le liquide qui n'est pas absorbé par la matière 8 reste dans l'espace vide compris entre les deux enveloppes et est ensuite évacué par un conduit de vidange 14 prévu à cet effet.
Le dispositif évaporateur ne contient alors que la quantité de liquide correspondant à la capacité d'absorption de la matière sans risque de perte ultérieure.
L'espace compris entre les deux enveloppes 1 et 12 étant en communication avec l'atmosphère par la buse 3, la surface d'évaporation active correspond à la surface totale libre de l'enveloppe intérieure 12. Cette disposition est par- ticulièrement avantageuse et elle permet une répartition des surfaces d'échange et une distribution des matières de qualités variées d'une manière différente par rapport à l'évaporateur décrit en référence aux fig. 1 et 2. Il est possible de prévoir de nombreuses variantes des réalisations représentées et en par- ticulier il est possible de placer dans le faisceau ou en dehors du faisceau 4, mais à l'intérieur de la matière 8, une ou plusieurs cheminées à parois perforées qui permettent d'augmen- ter la surface d'évaporation.
Outre ce qui est déjà indiqué ci-dessus, il est indis- pensable que les matières absorbantes soient choisies parmi celles qui conservent de façon permanente leurs propriétés géométriques, étant donné que les dimensions des espaces capil- laires règlent l'absorption et la libération du liquide. Ce liquide doit être de nature à ne laisser aucun dépt de quelque composition ou consistance que ce soit au moment de son évapora- tion ou par simple écoulement à travers la matière absorbante.
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Tous les liquides susceptibles d'être traités pour présenter les qualités indiquées ci-dessus sont utilisables dans le dispositif de l'invention et en particulier on peut utiliser des eaux distillées pures, des eaux distillées additionnées d'un liquide modifiant la température d'ébullition, des alcools, tels que les alcools isopropyliques, éthyliques, méthyliques ainsi que les éthers.
Comme cela a déjà été expliqué, l'enveloppe de l'éva- porateur peut être dimensionnée de façon à contenir la quantité de liquide nécessaire à son fonctionnement pendant le temps d'utilisation prévu. Dans ce cas, il est nécessaire de prévoir une vanne by-pass pour le fluide à refroidir afin d'éviter la consommation de liquide volatil pendant les périodes de vol qui ne nécessitent pas le fonctionnement du dispositif évaporateur.
Il est évident que ce dispositif peut aussi, si cela est désiré, être muni d'une nourrice séparée contenant tout ou partie du liquide à utiliser.
Le remplissage du corps de l'évaporateur s'effectue au moment choisi, soit par une commande manuelle, soit par une commande thermostatique actionnant des électro-vannes ou autres organes de contrôle appropriés. Selon le rapport entre la quantité de liquide à emporter et la capacité de l'évaporateur, le remplissage peut se fais en une seule fois, ou en plusieurs fois sous l'action d'une minuterie, d'un relais temporisé ou de tout autre dispositif convenable.
Il est possible aussi que la disposition intérieure de l'évaporateur soit faite de telle sorte que le rendement hermométrique conserve la valeur constante pour laquelle il est établi jusqu'à ce que le liquide contenu soit pratiquement épuisé. Toutefois, il est intéressant, dans certains cas, que le fonctionnement même de l'évaporateur donne une indication de la proximité de l'assèchement total, soit pour avertir le pilote des dispositions à prendre, soit pour agir sur des dispo- sitifs de sécurité qui doivent fonctionner automatiquement.
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Dans ce cas, un aménagement judicieux des surfaces d'échange par rapport au volume de la matière de rétention du liquide volatil peut provoquer une chute du rendement thermométrique dès qu'un certain degré d'épuisement de liquide est atteint.
On peut également obtenir ce résultat en utilisant des fibres de propriétés différentes qui, par leur emplacement, modifient la vitesse d'arrivée du liquide sur les surfaces d'échange en raison de la distance de ces surfaces avec la région où il reste du liquide à prélever.
La variation résultante du rendement thermométrique est alors utilisée comme moyen de signalisation de la consomma- $on de liquide, l'organe de détection étant un thermostat placé à la sortie de l'évaporateur parcouru par le fluide à refroidir.
Dans ce cas, le thermostat contrôle un circuit d'alimentation d'un dispositif d'alerte, par exemple une lampe placée sur le tableau de bord du poste de pilotage de l'avion ou de l'engin, ou encore de thermostat actionne les dispositifs de sécurité appropriés.
Dans le cas où il n'est pas souhaitable de provoquer une variation du rendement thermométrique de l'évaporateur, il est possible de prévoir une capacité auxiliaire contenant une charge de liquide de sécurité, charge prévue pour un fonction- nement d'une durée déterminée. Au moment de l'épuisement du liquide contenu normalement dans l'évaporateur, le rendement thermométrique tombe alors brusquement et l'échauffement du fluide à refroidir qui en résulte provoque la fusion d'un fusible qui commande le remplissage de sécurité de l'évaporateur et qui simultanément commande aussi une lampe d'alerte ou un dispositif de sécurité.
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Evaporative heat exchanger.
Airplanes and machines, flying at high speed, include certain parts and in particular the piloting cabins, electronic equipment rooms, etc., which it is necessary to maintain at a determined temperature.
The adiabatic heating of the outside air caused by the high speed of airplanes or machinery prevents the use of this ambient air as a medium capable of directly absorbing the excess heat to be evacuated. It is therefore necessary to use an autonomous cooling source.
Cooling a fluid, whether gaseous or liquid, in an evaporative heat exchanger provides in many cases the desired solution.
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In these devices, the fluid to be cooled is passed through channels provided for this purpose, the exchange surface of which is bathed in the liquid which is brought to the boil. This liquid absorbs, in this way, a quantity of heat corresponding to its latent heat of vaporization. The nature of the liquid and the pressure which is made to reign in the enclosure which contains it determine the temperature of the boiling and consequently the temperature difference with the fluid to be cooled which thus becomes independent of the speed of boiling. flight and the resulting ambient temperature.
So far, there are two main types of evaporator:
1 - The simple evaporator consisting essentially of a capacity which contains all or part of a charge of liquid to be evaporated and which is placed in communication with the atmosphere in which the vapor is given off and where the pressure prevails for which is planned operation of the device. This capacity is crossed, in its part which contains the volatile liquid, by the channels in which the fluid to be cooled circulates.
The main drawback of this type of evaporator is that during the evolution of the device the circulation tubes, which constitute the walls of the circulation channels, emerge from the liquid according to the inclination taken by the level free from that. -this. As a result, the efficiency of the apparatus decreases with the extent to which the tubes protrude from the liquid. As is evident, such evaporators cannot normally be used when the aircraft or craft is in flight. on the back.
To overcome this drawback, it is possible to construct evaporators with super-bounding exchange surfaces and arranged in such a way that the part of these surfaces which remains immersed, whatever the inclination of the evaporator, constantly ensures the desired thermometric efficiency. This palliative leads to a weight and a bulk
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considerable and to a great complication of the naked circuit 1 ± -. <i tr: to cool.
2 - The evaporator circulating evaporating liquid, consisting essentially of an exchanger element of conventional type, in which the transfer of heat takes place between the fluid to be cooled and the liquid; the latter is directed, at the outlet of the exchanger, into a capacity containing all or part of the charge of liquid to be evaporated. This capacity is placed in communication with the atmosphere in which the vapor is given off and where the pressure for which the operation of the apparatus is provided prevails.
This arrangement has, over the simple evaporator described above, the advantage of being able to operate with its maximum thermometric efficiency in all conditions, including in flight on the des. It can be criticized for the presence of an electro-pump unit with its drawbacks resulting from the weight, the bulk, the energy consumption and the risk of damage involved in any mobile, electrical or mechanical component.
The characteristic common to these two types of evaporators is the necessary existence of a free evaporation surface for the volatile liquid, which requires special provisions to avoid any loss of liquid during the evolutions of the liquid. aircraft or craft.
The present invention creates a novel evaporative exchanger which eliminates the drawbacks mentioned above, while combining the particular advantages of these two types of evaporators.
According to the invention, the evaporative heat exchanger has a casing making it communicate with the atmosphere so that at least part of the surface of a load of porous material, containing a volatile liquid. and completely enveloping an exchanger bundle in which circulates a fluid to be cooled, either constantly at the
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prevailing atmospheric pressure, so that the liquid contained by the charge and heated by the circulation of the fluid to be cooled is subjected to at least partial evaporation causing certain parts of said permeable charge to swell, thus causing circulation of the liquid which 'it contains, which is directed against the exchange surfaces of the beam until complete evaporation.
As emerges from the foregoing, the particular embodiment of the device of the invention eliminates the surface free of liquid and furthermore makes it possible to use the evaporator in all positions without loss of liquid through the orifice of steam release.
Moreover, whatever the positions of the device, the thermometric efficiency remains substantially constant.
This result is obtained without requiring the separation of the two processes of heat exchange and evaporation, as is the case for recirculating evaporators including the electro-pump and its accessories (pipes, non-return valves, pressure relief valve, @ etc ...) are deleted.
The porous material for storing the evaporating liquid in the body of the evaporator is chosen, according to another characteristic of the invention, so that it has no chemical action on the liquid which must be kept without change in nature or state. In fact, according to the invention, this liquid must be extracted from the storage material without the intervention of a chemical process, the effect of the vaporization on the exchange surfaces alone causing the. renewal of the liquid on these surfaces. The reverse movements of vapor release and liquid arrival at the heating surface are carried out naturally. Of course it is possible, if desired, according to the invention, to add mechanical devices to activate the circulation.
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liquid and vapor.
It has been observed that the porous material retaining the volatile liquid must be a material having a stable structure, insensitive to shocks, vibrations, the effects of temperature, deformations resulting from successive humidification and drying, thus than the effects of freezing the stored liquid.
Furthermore, the dimensions of the pores, cells and interstices must allow the absorption of a high proportion of liquid and ensure, during operation, a flow rate allowing the consumption of liquid which corresponds to the required thermometric efficiency.
Further, and for certain applications, this porous material must exhibit high electrical resistivity and dielectric constant, and it is evident that the volatile liquids to be used in these particular applications must also exhibit similar properties.
It has been observed that it is advantageous, according to the invention, to constitute the filler of porous material by glass fibers of different qualities, of different diameters, these fibers depending on the case being staple fibers of lengths. respective respective ones or continuous fibers thus delimiting distinct layers. The nature of such a porous filler is such that its capillarity allows the absorption of the liquid and its retention in the mass without risk of loss by overturning of the envelope in which said porous filler is placed.
The diameters of the fibers which are used fix the dimensions of the interstices, which has the effect of influencing the faculty of the material to allow a given flow rate during the extraction of the liquid by evaporation.
The movements of vapor and liquid within the mass are effected by a mechanism which occurs naturally in matter. Indeed, the volume occupied by
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the dry matter is greater than that occupied by the impregnated matter. In this way, the areas dried by the action of the heating surfaces thus exert pressure on the areas which are still wet, which has the effect of causing the liquid to flow back to the dried areas.
Although the device according to the invention is intended primarily for use, as explained above, in airplanes, machines and various flying machines, it is obvious that an evaporative heat exchanger device of this kind can be found. many other applications. In fact, it is possible for the cooling to be exerted directly on various objects without passing through an intermediate agent such as the cooling fluid circulating normally in the exchanger bundle.
In fact, certain equipment and apparatuses included in the vehicles, such as rockets, and in particular electronic equipment, can advantageously be placed in a sealed box to which these devices transmit the heat to be removed and this box is, for example, example ,, disposed inside the casing of the evaporator which contains the charge of porous material retaining the volatile liquid.
In certain cases, the member to be cooled can be designed so as to be placed directly inside the body of the evaporator and thus to be placed in contact with the absorbent porous material and the evaporating liquid.
Other applications can also be envisaged and, in particular, the cooling of heat engines in which the casing would be formed by liners surrounding the cylinders and containing the load of absorbent material and the volatile liquid.
Another application is in the cooling of aircraft landing brakes. Indeed, the brake drums may be provided with a lining of absorbent material impregnated with liquid or in communication with a reservoir of
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liquid, the impregnation of the absorbent material being in this case carried out for example when the landing gear is extended.
Many other applications can also be envisaged without departing from the scope of the invention, and embodiments thereof are shown, by way of example, in the detailed description which follows.
Fig. 1 'is a schematic sectional elevation of an embodiment of an evaporative heat exchanger according to the invention.
Fig. 2 is a section taken along the line II-II of FIG. 1.
Fig. 3 is a schematic perspective, on a larger scale, of part of the exchanger bundle of the device.
Figure 4 is a partial schematic perspective, on a larger scale, of a particular embodiment of a tube of the exchanger bundle.
Fig. 5 is a schematic view illustrating a particular characteristic of the invention.
Fig. 6 is a schematic cross section, similar to FIG. 2, showing a variant.
In the drawing, the device comprises a casing 1 having, for example, the shape of a casing, the top 2 of which delimits a nozzle 3 intended to make the inside of this casing communicate with the atmosphere. This envelope contains a bundle 4 formed by means of tubes 5 'in which circulates the fluid to be cooled, a fluid which may be gaseous or liquid. - The tubes 5 of the bundle 4, which protrude from the casing 1 of the exchanger , can be formed in many different ways and in particular by cylindrical tubes or by flat tubes.
The arrangement of the tubes in the bundle can be arbitrary and these tubes, which constitute a direct heat exchange surface, can be interconnected by fins: 6 (FIG. 3) constituting indirect exchange surfaces.
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Likewise, as shown in fig. 4, the tubes can be provided internally with bands 7 to form indirect exchange surfaces for the fluid to be cooled. The indirect exchange surfaces formed by the spacers 7 placed inside the tubes, or the fins and spacers 6 placed outside these tubes, have the effect of increasing the transmission coefficient relative to the surface of direct exchange consisting of the walls of the circulation tubes for the fluid to be cooled.
The casing 1 contains a load of spongy or fibrous material 8 consisting of thin fibers or tubes of very small cross section, of a felt or any suitable material which will be described in detail below.
This material, which is intended to retain a liquid filling the casing 1, completely surrounds the tubes and the outer fins of the bundle, so that the liquid is always brought into contact with said direct and indirect exchange surfaces of the bundle as long as liquid impregnates the material 8. The flow of the liquid contained by this material, a liquid which evaporates when it is brought into contact under certain conditions with the exchange surfaces of the beam, can be directed in a particular way by the predetermined arrangement of said fins 6, the shape and distribution of which may be provided to delimit preferential paths for the circulation of the liquid inside the envelope.
The shape and dimensions of the envelope 1 are determined such that this envelope contains an amount of absorbent material suitable for ensuring the storage of a selected volume of liquid. This absorbent material may be entirely of a uniform nature and thus exhibit throughout its bulk identical physical properties. It can, on the contrary, be made up of several parts with different physical properties, so as to create,
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for example in certain regions of the casing, zones more particularly reserved for the storage of liquid and, in other regions, zones intended to ensure the extraction of the liquid from the preceding zones and to convey it to the surfaces exchange.
Such an arrangement is shown in FIG. 5 according to which is placed in the casing 1 a mattress of material 8a for storing liquid, mattress constituted for example in the form of a felt, and this felt is optionally separated by a permeable partition 9 of a mass of material 8b constituted by fibers which can be woven or braided and which surround and hug the tubes of the bundle.
This embodiment is only an example because the variety and the arrangement of materials with different properties depend on the dimensions of the casing, the distribution of the exchange surfaces in the mass and the evaporation power. to be obtained and, therefore, the relative arrangement of the different materials used for the retention of a liquid must be determined by calculation for each particular type of apparatus.
A general arrangement, which has been recognized to be advantageous, consists in creating storage zones in the parts of the apparatus furthest from the exchange surfaces, as shown in FIG. 5 according to which the material 8a which is a felt has no preferential direction for the flow of the liquid.
In contact with the storage zone delimited by the material 8a, it is possible to have separate beds or layers, possibly separated from each other, which are respectively constituted by continuous fibers thus presenting a preferential direction to the flow of the liquid. .
In addition to this general arrangement shown, it is possible to use different qualities of materials, chosen in particular as a function of the diameters and lengths of fibers, and of
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place them in the different parts of the casing to ensure a supply of: Lon exchange surfaces with liquid in relation to the evaporation power to be obtained at each point of these surfaces (greater flow of liquids on the most active on the hot fluid inlet side for example).
The choice of materials is determined in such a way that the parts of these materials which tend to be dried out swell to exert pressure on the parts not yet dried and, therefore, it is necessary that the arrangement of the materials within the the envelope and between the constituent elements of the exchanger bundle 4, is such that the material can freely expand and retract. On the other hand, the parts which externally limit the mass of material cannot be formed. The mass of material may be limited, for example and in particular to the region of the casing reserved for the steam outlet, by a perforated grid 10 which maintains the material in position.
Likewise, it is advantageous to cover the mass of material with one or more plates 11 of sintered material and in particular of high permeability sintered glass.
When the evaporator device described above is to be used on an airplane or a craft, it is essential that the device contains only the quantity of liquid essential for its operation and corresponding to the quantity which can be absorbed by the material of which it is. constituted. Indeed, any excess filling entails the transport of an unnecessary weight of liquid which would be rejected during the evolution of the airplane or the machine and, consequently, there would result from it losses of liquid which could be expensive. and sometimes dangerous in the case of particular liquids.
In order that an appropriate quantity of liquid is charged, one proceeds advantageously as shown in FIG. 6. In this figure, the mass of absorbent material 8 is placed in an inner envelope 12 which extends over
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all faces, or only on some of the faces of the device, a few millimeters from the outer casing 1, the casing or part of the inner casing is perforated while being undeformable.
When filling through a nozzle 13, the liquid is introduced in sufficient quantity to occupy the entire capacity offered to it. The liquid which is not absorbed by the material 8 remains in the empty space between the two envelopes and is then discharged through a drain pipe 14 provided for this purpose.
The evaporator device then only contains the quantity of liquid corresponding to the absorption capacity of the material without risk of subsequent loss.
The space between the two envelopes 1 and 12 being in communication with the atmosphere through the nozzle 3, the active evaporation surface corresponds to the total free surface of the inner envelope 12. This arrangement is particularly advantageous and it allows a distribution of the exchange surfaces and a distribution of materials of various qualities in a different way compared to the evaporator described with reference to FIGS. 1 and 2. It is possible to provide many variants of the embodiments shown and in particular it is possible to place in the bundle or outside the bundle 4, but inside the material 8, one or more chimneys. perforated walls which allow the evaporation surface to be increased.
In addition to what has already been indicated above, it is essential that the absorbent materials be chosen from those which permanently retain their geometric properties, since the dimensions of the capillary spaces regulate the absorption and the release of the capillary. liquid. This liquid must be such as to leave no deposit of any composition or consistency whatsoever at the time of its evaporation or by simple flow through the absorbent material.
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All the liquids capable of being treated to have the qualities indicated above can be used in the device of the invention and in particular pure distilled water can be used, or distilled water with the addition of a liquid modifying the boiling point. , alcohols, such as isopropyl, ethyl and methyl alcohols as well as ethers.
As has already been explained, the casing of the evaporator can be sized to contain the quantity of liquid necessary for its operation during the expected period of use. In this case, it is necessary to provide a bypass valve for the fluid to be cooled in order to avoid the consumption of volatile liquid during the flight periods which do not require the operation of the evaporator device.
It is obvious that this device can also, if desired, be provided with a separate manifold containing all or part of the liquid to be used.
The evaporator body is filled at the chosen time, either by manual control or by thermostatic control actuating solenoid valves or other appropriate control devices. Depending on the ratio between the amount of liquid to take and the capacity of the evaporator, filling can be done all at once, or in several times under the action of a timer, a time relay or any other suitable device.
It is also possible that the internal arrangement of the evaporator is made such that the hermetic efficiency maintains the constant value for which it is established until the liquid contained is practically exhausted. However, it is interesting, in certain cases, that the operation of the evaporator itself gives an indication of the proximity of total drying out, either to warn the pilot of the measures to be taken, or to act on safety devices. which should work automatically.
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In this case, a judicious arrangement of the exchange surfaces relative to the volume of the retaining material of the volatile liquid can cause a drop in the thermometric efficiency as soon as a certain degree of liquid depletion is reached.
This result can also be obtained by using fibers of different properties which, by their location, modify the speed of arrival of the liquid on the exchange surfaces due to the distance of these surfaces from the region where there is liquid remaining at take.
The resulting variation in thermometric efficiency is then used as a means of signaling the consumption of liquid, the detection member being a thermostat placed at the outlet of the evaporator through which the fluid to be cooled is passed.
In this case, the thermostat controls a power supply circuit of a warning device, for example a lamp placed on the instrument panel of the cockpit of the aircraft or of the machine, or else of the thermostat actuates the appropriate safety devices.
In the event that it is not desirable to cause a variation in the thermometric efficiency of the evaporator, it is possible to provide an auxiliary capacity containing a charge of safety liquid, a charge intended for operation of a determined period. . When the liquid normally contained in the evaporator is exhausted, the thermometric output then drops suddenly and the resulting heating of the fluid to be cooled causes the blowing of a fuse which controls the safety filling of the evaporator and which simultaneously also controls a warning lamp or a safety device.