CA1260924A

CA1260924A - Echangeur de chaleur

Info

Publication number: CA1260924A
Application number: CA000475250A
Authority: CA
Inventors: Andre Teytu; Robert Bernard
Original assignee: INNOVATIONS THERMIQUES
Current assignee: INNOVATIONS THERMIQUES
Priority date: 1984-02-27
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1989-09-26
Also published as: FR2560362B1; ATE30635T1; FR2560362A1; DE154878T1; EP0154878B1; DE3560924D1; EP0154878A1

Abstract

L'invention concerne un procédé de transfert de chaleur et échangeur de chaleur dans lesquels un écoulement formé d'une lame de fluide d'épaisseur constante et à direction d'écoulement rectiligne s'écoulant dans un canal d'écoulement délimité par un élément chauffant et un élément guide est stabilisé et uniformisé, puis mis en contact avec une surface chauffante orthogonalement au sens de son épaisseur. Grâce à l'invention, la vitesse de circulation du fluide dans le canal d'écoulement est uniforme, parallèle à la surface chauffante et constante en tout point de cette surface chauffante de telle sorte que le flux thermique entre la surface chauffante et le fluide est imposé.

Description

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La présente invention concerne un procédé de trans-fert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide ainsi qu'un échangeur de chaleur pour la mise en oeuvre de ce procédé et destiné au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide en vue d'augmen-ter sa température ou de changer son état physique.
Dans les dispositifs connus de ce genre, les résis-tances chauffantes électriques sont plongées dans un récipient rempli du fluide à chauffer. Ce fluide s'écoule avec une vitesse faible, non uniforme et dont la direction par rapport à la paroi chauffante des résistances varie d'un point à l'au-tre de celle-ci. Il en résulte que le coefficient d'échanges thermiques entre la paroi chauffante et le fluide est faible et très variable d'un point à l'autre de cette paroi. En con-séquence, le flux thermique qu t il est possible de transférer au fluide à réchauffer est très faible et particulièrement difficile à calculer avec précision. Afin de limiter la température de la surface chauffante et d'éviter la dégrada-tion thermique des fluides fragiles qui peuvent subir des ~0 surchauffes en certains endroits de la surface chauffante, on est actuellement obligé de concevoir des dispositifs de chauffage électrique qui comprennent des surfaces de chauffe impo~tantes, entralnant la réalisation de dispositifs encom-brants, lourds et coûteux.
La présente invention a notamment pour but de remé
dier et d'éviter les inconvénients ci-dessus. Le procédé de transfert de chaleur entre une surface chauffante et un fluide, selon la présente invention est caractérisé par le fait qu'il consiste à stabiliser et uniformiser un écoulement du fluide de manière à former une lame de fluide d'épaisseur constante et une direction d'écoulement rectiligne et à mettre en 7~, contac-t, perpendiculairement au sens de son épaisseur, cette lame de fluide avec au moins une surface chauffante formant une paroi d'un canal d'écoulement tel que l'écoulement reste d'é-paisseur constan-te et sa direc-tion reste rectiligne, le nombre de Reynolds associé à cet écoulement étant tel que l'écoulement du fluide est turbulent. De préférence, ce nombre de Reynolds est choisi supérieur à 20.000.
Grâce au procédé selon la présente invention, la vitesse de circulation du fluide dans le canal d'écoulement est uniforme, parallèle à la surface chauffante e-t constante en tout point de cette surface chauffante de telle sorte que le flux thermique entre la surface chauffante et le fluide est mpose.
La présente invention vise également un échangeur de chaleur destiné au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un fluide, comprenant au moins un ensemble chauffant formé d'un élément chauffant allon-gé renfermant au moins une résistance électrique et un tube guide entourant l'élément chauffant et délimitant avec ce der-nier un canal d'écoulement annulaire pour le fluide. L'échan-geur de chaleur selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un corps creux présentant une chambre d'alimentation et une chambre d'évacuation pour le fluide sépa-rées par une cloison et à l'intérieur duquel est disposé l'en-semble chauffant, l'élément chauffant étant porté par une paroi de la chambre d'alimentation du corps et le tube guide étant pc,rté par la cloison intérieure, les extrémités du tube guide débouchant respectivement dans la chambre d'alimentation et dans la chambre d'évacuation.

De préférence, le canal d'écoulement est tel que le nombre de Reynolds associé à l'écoulement du fluide dans ce canal est supérieur à 20 000.

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Suivant un mode de réalisation préféré, la surface de l'élément chauffant presente dans le sens de l'écoulement du fluide dans le canal d'écoulement une premiere zone non chauf-fante formant avec la surface du tube guide une zone de tran-quilisation amont de l'écoulement du fluide et une deuxième zone formant une surface chauffante pour le fluide.
De préférence, la surface de l'élément chauffant com-prend également, en aval de sa surface chauffante, une troisiè-me zone non chauffante formant avec la surface du tube guide une zone de tranqui.lisation aval de l'écoulement du fluide. La longueur de la zone de tranquilisation aval est avantageusement au moins egale à cinq fois le diamètre hydraulique du canal d'é-coulement, défini comme étant égal à quatre fois sa section divisée par le périmetre mouillé du canal d'écoulement. D'autre part, la longueur de la zone de tranquilisation amont est de préference égale à au moins dix fois le diamètre hydraulique du canal d'ecoulement.
Dans un ~ode de réalisation préféré et particulièrement sim-ple, l'élement chauffant et le tube guide sont cylindriques, le tube guide etant coaxial a cet element chauffant cylindri-que et delimitant avec ce dernier un canal d'ecoulement de sec-tion annulaire et d'epaisseur constante entourant l'élément chauffant cylindrique.
De preference, des moyens sont prévus pour le cen-trage de l'element chauffant cylindrique dans le tube guide cylindrique de maniere a maintenir a distance constante la surface exterieure de l'elément chauffant cylindrique et la surface extérieure du tube guide. Dans une variante de realisation preférée, ces moyens de centrage sont formés par des picots de centrage fixés au tube guide et prenant appui . .

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sur la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique.
Dans une autre variante de réalisation préférée, les moyens de centrage peuvent être formés par des déformations locales vers l'intérieur du tube yuide qui prennent appui sur la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique.
L'échangeur de chaleur selon la présente invention comprend également, de préférence, un corps cylindrique fermé
à ses extrémités, renfermant au moins un ensemble formé par l'élément chauffan~ cylindrique et le tube guide, cet élément chauffant s'étendant dans le sens de l'axe du corps cylin-drique et étant porté par une paroi d'extrémité du corps cylin-drique, les extrémités du tube guide étant à distance des parois d'extrémité du corps cylindrique, le corps cylindrique renfermant une cloison radiale traversée par le tube guide et délimitant dans le corps cylindrique deux chambres séparées qui constituent respectivement la chambre d'alimentation et la chambre d'évacuation pour le fluide qui sont respective ment en amont et en aval du canal d'écoulement annulaire formé entre l'élément chauffant cylindrique et le tube guide~
La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'échangeurs de chaleur formant chaudières électriques décrits à titre d'exemples non limitatifs et illustrés dans les dessins ci-joints, dans lesquels:
- la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un dispositif de chauffage électrique selon la présente invention renfermant un échangeur de chaleur comprenant un élément chauffant entouré d'un tube guide;
- la figure 2 représente une coupe radiale selon la ligne II-II du d.ispositif de chauffage électrique repré-senté sur la figure 1;

3~'~

- la figure 3 représente une coupe longitudinale partielle et agrandie de l'échangeur de chaleur du dispositif de chauffage électrique représenté sur la figure 1, montrant un premier moyen de centrage de l'élément chau~fant à l'inté-rieur du tube guide;
- la figure 4 représente une coupe radiale selon la ligne IV-IV de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 3, - la figure 5 représente une coupe longitudinale partielle de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 1, qui montre un deuxième mode de réalisation du moyen de cen-trage de l'élément chauffant à l'intérieur du tube guide;
- la figure 6 représente une coupe radiale selon la ligne VI-VI de l'échangeur de chaleur représenté sur la figure 5;
- la figure 7 représente, en coupe longitudinale, une variante de réalisation du dispositif de chauffage électrique représenté sur la figure 1 et renfermant plusieurs échangeurs de chaleur; et ~ la figure 8 représente une coupe radiale selon la ligne VIII-VIII du dispositif de chauffage électrique re-~présenté sur la figure 7.
Le dispositif de chauffage électrique représenté
sur la figure 1 et repéré d'une manière générale par la référence 1 comprend un corps cylindrique 2 qui présente deux' parois d'extrémité 3 et 4 reliées entre elles par une paroi cylindrique en deux parties cylindriques 5 et 6 fixées bout à bout.
' Entre les deux parties cylindriques 5 et ~ s'étend radialement une cloison 7 qui divise l'intérieur du corps cylindrique 2 en deux chambre séparées 8 et 9 qui communi-~ 3'~ ~

quent avec l'ex-térieur respectivement par des tubulures r~-diales 10 et 11.
A 1 7 intérieur du corps cylindrique 2 s t étend, axialement, un échangeur de chaleur repéré d'une manière géné-rale par la référence 12. Ce-t échangeur de c'naleur 12 comprend un élément chauffant 13 de section circulaire qui traverse la paroi 4 et qui est porté par cette dernière, cet élément chauffan't 13 stétendant axialement à llintérieur du corps cylindrique 2 et présentant une extrémité libre 14 située à distance de la paroi d'extrémité 3 du corps cylindrique 2.
A l'intérieur du corps cylindrique 2, llélément chauffant 13 est rectiligne et de section circulaire constante.
L'échangeur de chaleur 12 présente également un tube guide 15 qui s'étend à l'intérieur du corps cylindrique

2 et qui entoure à distance constante l'élément chauffant cylindrique 13 de manière à ménager entre la surface exté-rieure de l'élément chauffant cylindrique 13 et la surface intérieure du tube guide 15 un espace annulaire 16 d'épaisseur constante. Les extrémités 15a et 15b du tube guide 15 sont situées à distance des parois dlextrémité 4 et 3 du corps cylindrique 2 et ce tube guide 15 traverse un passage circu-laire 17 de la cloison radiale 7 et est porté par cette dernière. En outre, le tube guide 15 est porté, du côté de son extrémité 15b adjacente a la paroi 3 du corps cylindrique 2, par une paroi radiale 18 présentant des passages axiaux 19 Llélément chauffant 13 renferme une resistance électrique chauffante 20 qui slétend sur une partie de la longueur de llélément chauffant cylindrique 13 de manière à
ménager, sur la surface extérieure de cet élément chauffant cylindrique 13, en regard de la surface intérieure du tube guide 15, à partir de son extrémité 15a jusqulà son extrémité

~x~ja~

15b, une première zone 13_ non chauffante, une deuxième zone 13b chauffante le long de laquelle s t étend la résistance électrique chauffante 20 et une troisième zone 13c non chauf-fante.
Le fluide à chauffer qui est introduit dans la chambre amont 9 par l'intermédiaire de la tubulure d'entrée 11 pénètre dans l'espace annulaire 16 par l'extrémité 15a du tube guide 15, circule dans cet espace annulaire 16 jusqu'à l'extrémité lSb du tube guide 15 et arrive dans la chambre aval 8 de laquelle il est évacué pax la tubulure de sortie 10. Ltécoulement à l'intérieur de l'espace annulaire 16 séparant la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 de la surface extérieure du tube guide 15 présente des caractéristiques particulières qui sont liées aux dimensions de l'échangeur de chaleur 12.
Tout drabord, la dimension axiale de la zone amont non chauffante 13_ de la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 est de préférence égale à au moins dix fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement 15 défini comme étant ëgal à quatre fois sa section divisé par son périmètre mouillé qui est, dans le cas présent, égal à la somme des périmètres de la surface chauffante 13 et du tube guide 15. La dimension axiale de la zone aval non chauffante 13_ de l'élément chauffant cylindrique 13 est de préférence égale à au moins cinq fois le diamètre hydraulique du canal annulaire 16. De plus, le nombre de Reynold~ de l'écoulement du fluide dans le canal annulaire 16 est de préférence au moins égal à 20.000 de telle sorte que cet écoulement est turbulent. Bien entendu, la longueur de la surface chauffante dépend en particulier du flux de chaleur souhaité.

~ 3~ ~

L'écoulement du fluide dans le canal d'écoulement annulaire 16, qui pénètre dans ce dernier par l'extrémité 15a du tube guide 15, est tout d'abord stabilisé et uniformisé
dans une zone de tranquilisation située entre la zone non chauffante amont 13_ de la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13 et la paroi intérieure du tube guide 15 de telle sorte que le fluide atteint la zone chauffante 13b située entre la surface chauffante de l'élément chauffant cylindrique 13 et la paroi intérieure du tube guide 15 et traverse cette zone chauffante en présentant une vitesse de circulation uniforme, parallèle à l'axe du canal d'écoulement 16, parallèle aux surfaces délimitant ce canal et constante en tout point de la surface chauffante de l'élément chauffant cylindrique 13. A la suite de cette zone chauffante, le fluide traverse une deuxième zone de tranquilisation aval située entre la surface non chauffante aval 13_ de l'élément chauffant cylindrique 13 et la paroi intérieure du tube guide 15 de manière à éviter toute perturbation dans la zone chauffante.
En se reportant aux figures 3 et ~, on voit que de manière à maintenir à distance constante la surface exté-rieure du tube chauffant cylindrique 13 et la surface inté-rieure du tube guide 15 pour que le canal annulaire 16 présente une épaisseur constante, on peut prévoir des picots qui s'étendent radialement et qui sont fixés au tube guide 15, ces picots traversant l'espace annulaire 16 et prenant appui sur la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13.
Dans la variante représentée sur les figures 5 et 6, le centrage de l'élément chauffant cylindrique 13 à

l'intérieur du tube guide 15 est obtenu par des déformations ~ 3~J~

locales 22, vers l~intérieur du tube guide 15, qui viennent en appui contre la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique 13.
En se reportant aux figures 7 et 8, on voit qu'on a représenté un dispositif de chauffage électrique repéré
d'une manière générale par la référence 23 qui présente un CQrps cylindrique 24 équivalent au corps cylindrique 2 du dispositif de chauffage électrique 1 et qui renferme un échangeur de chaleur 25_ central et six échangeurs de chaleur 25b à 25~ périphériques qui sont équivalents à l'échangeur de chaleur 12 du dispositif de chauffage électrique 1. Chaque échangeur de chaleur 25_ à 25~ est monté dans le corps cylindrique 24 de manière équivalente au montage de l'échan-geur de chaleur 12 dans le corps cylindrique 2 du dispositif de chauffage électrique 1 de telle sorte que leurs canaux d t écoulement sont en parallèle entre une chambre amont 26 alimenté par une tubulure d t entrée 27 et une chambre aval 28 présentant une tubulure de sortie 29, ces deux chambres étant séparées par lme cloison radiale 30 traversée et portant les tubes guide des échangeurs de chaleur 25_ à 25~ qui sont par ailleurs portés par une autre cloison 31 présentant des passages axiaux 32 tandis que leurs éléments chauffants cylindriques sont portés par la cloison d'extrémité 33 du corps cylindrique 24 située du c6té de la chambre amont 26. Le dispositif de chauffage électrique 23 représenté sur les fi-gures 7 et 8 peut alors constituer un échangeur de chaleur de très forte puissance.
On peut remarquer que les dispositifs de chauffage électriques 1 et 23 sont construits d'éléments qui peuvent subir des déformations dues à la chaleur sensiblement indé-pendamment les uns des autres.

Claims

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Echangeur de chaleur destiné au transfert de chaleur entre au moins une résistance électrique chauffante et un flui-de, comprenant au moins un ensemble chauffant formé d'un élé-ment chauffant allongé renfermant au moins une résistance élec-trique et d'un tube guide entourant ledit élément chauffant et délimitant avec ce dernier un canal d'écoulement annulaire pour le fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un corps creux présentant une chambre d'alimentation et une chambre d'évacuation pour le fluide séparées par une cloison et à l'in-térieur duquel est disposé ledit ensemble chauffant, l'élément chauffant étant porté par une paroi de la chambre d'alimenta-tion dudit corps et le tube guide étant porté par ladite cloison intérieure, les extrémités dudit tube guide débouchant respec-tivement dans la chambre d'alimentation et dans la chambre d'évacuation.

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit canal d'écoulement est tel que le nombre de Reynolds associé à l'écoulement du fluide dans ce canal est supérieur à 20 000.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément chauffant et ledit tube guide sont cylindriques.

4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface de l'élément chauffant présente dans le sens de l'écoulement du fluide dans ledit canal d'écoulement une première zone non chauffante formant avec la surface du tube guide une zone de tranquilisation amont de l'écoulement du fluide et une deuxième zone formant une surface chauffante pour le fluide.

5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la surface de l'élément chauffant comprend, en aval de sa surface chauffante, une troisième zone non chauffante formant, avec ladite surface du tube guide, une zone de tranquilisation aval de l'écoulement du fluide.

6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la longueur de ladite zone de tranquilisation aval est au moins égale à cinq fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement.

7. Echangeur de chaleur selon les revendications 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que la longueur de la zone de tranquilisation amont est au moins égale à dix fois le diamètre hydraulique du canal d'écoulement.

8. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que des moyens sont prévus pour le centrage dudit élément chauffant cylindrique dans ledit tube guide cylindrique de manière a maintenir à distance constante la surface extérieure de l'élément chauffant cylindrique et la surface intérieure dudit tube guide.

9. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé parfait que lesdits moyens de centrage sont formés par des picots de centrage fixés audit tube guide et prenant appui sur la surface extérieure dudit élément chauffant cylin-drique.

10. Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que lesdits moyens de centrage sont formes par des déformations locales vers l'intérieur dudit tube guide qui prennent appui sur la surface extérieure dudit élément chauffant cylindrique.