Echangeur de chaleur à ébullition de surface
La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à ébullition de surface, comportant une paroi d'échange de chaleur munie d'un réseau d'extensions dissipatrices et une enceinte formant, avec la paroi d'échange de chaleur, un bouilleur confinant un liquide dans le voisinage de la paroi d'échange.
Les échangeurs à ébullition de surface présentent des performances très poussées et fonctionnent d'une façon absolument stable et tranquille sous une pression constante, mais sont très défavorablement influencés par des variations aléatoires de pression qui se manifestent lorsqu'on les fait fonctionner dans un espace confiné.
Ce phénomène parasite trouve son origine dans le fait que l'ébullition est un processus essentiellement discontinu et surtout dans le fait que la condensation par mélange présente des variations aléatoires d'efficacité, et celle-ci est grandement influencée par des conditions telles que la pression, la vitesse, la turbulence, la température locale des filets liquides, et l'étendue et la forme des poches de vapeur au sein du liquide. Aux régimes très élevés de vaporisation, mais encore tout à fait compatibles, en eux-mêmes, avec le type perfectionné de la paroi d'échange, ces variations aléatoires de pression dont l'amplitude peut atteindre plusieurs atmosphères, produisent des dépressions et des cavitations locales qui se traduisent par des bruits et éventuellement des chocs violents et compromettent la stabilité de l'échange de chaleur.
Le phénomène parasite décrit se produit non seulement dans les échangeurs à enceinte entièrement fermée mais aussi dans les échangeurs dits à circulation directe.
Le transfert de chaleur se fait par vaporisation locale et condensation de la vapeur produite, par mélange avec le liquide en circulation. Dans ce type d'échangeur, l'apparition du phénomène perturbateur doit être liée au fait que l'inertie, présentée par le liquide contenu dans les canalisations d'entrée et de sortie s'oppose à toute variation rapide et aléatoire de la quantité de liquide contenu à un instant donné dans le bouilleur.
La présente invention a pour but de remédier au phénomène décrit plus haut, lié à l'apparition de variations aléatoires de la pression.
Pour cela, I'échangeur de chaleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'une portion de l'intérieur du bouilleur est occupée par au moins un corps à volume élastiquement expansible,
Le corps à volume élastiquement expansible peut présenter l'une des constitutions suivantes:
a) II peut être constitué par une simple poche de vapeur, la disposition du bouilleur et les conditions de son refroidissement étant telles qu'une poche de vapeur se forme au-dessus du niveau de liquide. Cette forme de constitution est la plus facile à réaliser dans les échangeurs à circulation directe de liquide.
b) Il peut être constitué par une enceinte étanche, faite d'une matière souple et remplie d'un gaz à une quantité suffisamment faible pour que, sous la pression et la température de fonctionnement, cette enceinte ne prenne pas son plein volume. Le corps ainsi constitué peut être utilisé aussi bien dans les échangeurs entière; ment fermés que dans ceux à circulation directe.
Plusieurs formes d'exécution de l'échangeur de chaleur, objet de l'invention, seront décrites, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, auquel:
Les fig. 1 à 4 sont des vues en coupe schématiques des formes d'exécution dans lesquelles le bouilleur est entièrement fermé.
Les fig. 5 à 7 sont des vues en coupe schématiques de formes d'exécution à circulation directe de liquide, et
la fig. 8 est une vue en coupe partielle, la paroi d'échange d'une variante.
La fig. 1 montre, sous forme d'une coupe passant par son axe, un ensemble destiné à refroidir, par ébullition de surface dans un bouilleur entièrement fermé, un corps chaud constitué par un tronçon de cylindre creux 1, fermé à l'une de ses extrémités. Ce corps qui peut, par exemple, être constitué par l'anode d'un tube électronique, traverse un plateau 2 et forme avec oelui-ci et une enceinte 3 en forme de cloche un bouilleur étanche.
La portion 4 de ce corps située à l'intérieur du bouilleur et constituant la paroi d'échange de chaleur comporte sur sa partie cylindrique un réseau d'extensions 5, établi de façon à rendre la surface de cette partie anisotherme en fonctionnement. A l'intérieur du bouilleur est disposé un échangeur de chaleur secondaire constitué par un serpentin 6 en cuivre muni de deux ajutages 7 et 8 permettant d'y faire circuler de l'eau. Le bouilleur peut être rempli d'un liquide 9 par un bouchon 10 à fermeture étanche.
Le bouilleur contient plusieurs corps creux 11 à volume élastiquement expansible en une matière souple, préalablement gonflés d'un gaz sous une pression infe- rieure à la pression de fonctionnement désirée. Ces corps creux peuvent être, par exemple, des ballons de caoutchouc synthétique gonflés d'air, de forme sphérique ou toroidale. En fonctionnement, sous l'influence de la dilatation du liquide et de sa vaporisation partielle, ils se déforment, comme il est montré en 12, et seront capables d'amortir toute variation instantanée, surtout toute diminution abrupte, de la pression dans le liquide 9.
Le contact thermique entre le liquide 9 et les éléments 4 et 6 est indépendant de la pesanteur, étant donné que le bouilleur est en fait rempli de liquide sous pression. En conséquence, le dispositif peut fonctionner dans une position quelconque par rapport à la verticale, et même en l'absence de pesanteur, cas qui peut être mis en pratique à bord d'un vaisseau spatial. I1 pourra alors être utile de fixer les corps creux 11 dans une région éloignée de la paroi d'échange 4 pour éviter qu'ils viennent contrarier les mouvements de convection dans le liquide.
Suivant une variante du dispositif de la fig. 1, on peut dans certains cas placer le corps 1 1 dans une partie amovible du bouilleur, par exemple dans un bouchon creux remplaçant le bouchon 8. La fig. 2 montre en 13 un tel bouchon dans lequel le corps 1 1 est retenu par un grillage 14.
Suivant une variante représentée à la fig. 3, le bouchon lui-même comporte un compartiment contenant un gaz et séparé par une membrane d'un espace co,mmuni- quant avec la cavité principale du bouilleur. Le bouchon est constitué par deux pièces hémisphériques 15, 16 serrant entre elles le bord d'une membrane 17. La pièce 15 comporte une tubulure filetée 18 qui se visse dans l'ouverture du bouilleur et la pièce 16 possède un orifice à bouchon 19, par lequel on introduit un gaz dans l'espace formé par la pièce 16 et la membrane 17.
La fig. 4 montre un échangeur de chaleur qui diffère des précédents par le fait que le corps chaud 1, qui peut être, par exemple, I'anode d'un tube électronique ou un cylindre de moteur thermique, traverse l'enceinte 3 du bouilleur au lieu d'y pénétrer seulement. Le corps à volume élastiquement expansible est constitué par une enceinte toroïdale 20 en une matière souple, gonflé d'un gaz, disposé coaxialement avec la paroi chaude 4 et séparé de celle-ci par un déflecteur 21. Ce dernier sert à favoriser le mouvement intense du liquide par effet thermosiphon, en séparant les veines montante et descendante. Par ses bords recourbés 22, il maintient en place le corps 11.
L'échangeur secondaire qui, dans les exemples décrits, est un serpentin à circulation de liquide, peut être constitué par toute structure susceptible d'assurer par un refroidissement du liquide primaire la condensation de la vapeur. I1 peut, par exemple, être constitué par une zone de l'enceinte 3, refroidie de l'extérieur par des ailettes exposées à un courant forcé d'air.
La fig. 5 représente un échangeur de chaleur à ébullition de surface, utilisant une circulation du liquide de refroidissement primaire et servant à refroidir un corps cylindrique chaud 1 tel que le cylindre d'un moteur thermique ou l'anode d'un tube électronique de très grande puissance. Ce corps traverse une enceinte to roidale 23 avec laquelle il forme le bouilleur. Sa partie 4 située à l'intérieur du bouilleur constitue la paroi d'échange et possède un réseau d'extensions dissipatrices 5. Le liquide évaporable entre par la tubulure 24.
Réparti autour de la paroi d'échange cylindrique 4 par un premier collecteur 25, il passe le long de cette paroi, guidé par un cylindre 26, dont l'extrémité tournée vers l'entrée 24 possède un rebord plat 27 rejoignant l'enceinte 23. Recueilli par un second collecteur 28, il sort par une tubulure 29. Le corps à volume élastiquement expansible est constitué par une enceinte toroïdale 20 en une matière souple gonflée d'un gaz. Cette enceinte est placée dans un compartiment formé par la partie cylindrique de l'enceinte 23, le cylindre 26 et son rebord 27 et fixée sur ce rebord. Le passage annulaire formé par la paroi d'échange 4 et le cylindre 26 est séparé du collecteur 28 par un grillage 30. Celui-ci sert à provoquer une turbulence locale.
On a observé, en effet, que les phénomènes de contractions et dilatation abruptes prennent leur origine le plus souvent dans des régions de grande turbulence. Le grillage 30 favorise donc une looa- lisation de ce phénomène dans le collecteur, c'est-à-dire dans un espace communiquant immédiatement avec le compartiment contenant le corps élastique 20.
La fig. 6 montre une variante de l'échangeur précédent dans laquelle le compartiment contenant le corps élastique 20 communique avec le passage du liquide par de nombreuses perforations 31 du cylindre 26 lui-même.
Etant donné que ces perforations provoquent des turbulences dans le liquide, le corps élastique 20 de cette variante se trouve également au voisinage immédiat des endroits où le phénomène perturbateur prend le plus souvent naissance. I1 serait moins avantageux et éventuellement défavorable de mettre le corps élastique en communication avec le collecteur d'entrée 25, notamment si la paroi d'échange 4 présente une grande longueur.
Les échangeurs de chaleur du type représenté sur les fig. 5 et 6 peuvent être conçus pour réaliser des échanges de chaleur à des flux jusqu'ici inaccessibles, par exemple pour refroidir l'anode d'un tube électronique dans lequel le bombardement électronique de la paroi interne impose une dissipation de chaleur pouvant dépasser nettement un kilowatt par centimètre carré et atteindre, par exemple, 2 kw/cm2 sur l'ensemble de la paroi intérieure 1.
L'évacuation d'une telle densité de flux de chaleur, sur une surface qui peut atteindre plusieurs décimètres carrés, dépasse les possibilités des formes les plus avancées de la technique connue. On résout ce problème avec les échangeurs représentés sur les fig. 5 et 6, traversés par un courant de débit suffisant d'un liquide fortement sous-saturé et dont la paroi d'échange est constituée selon la fig. 8, où la paroi d'échange de chaleur 4 est munie de gorges dont la largeur moyenne d est inférieure à un tiers de leur profondeur b1 et les éléments de paroi subsistant entre les gorges possèdent dans la direction transversale aux gorges une épaisseur moyenne a reliée à la profondeur b1 des gorges et à la conductibilité thermique c du matériau constituant la paroi par la formule suivante:
:
EMI3.1
w où b, et a sont mesurés en cm, c en -- et m est un
cm.oC facteur numérique compris entre 0,7 et 1,8.
Par exemple, pour dissiper plusieurs centaines de kilowatts libérés avec une densité de flux très supérieure au kw/cm2, on utilisera de l'eau distillée avec un débit de seulement 0,35 litre/minute par kilowatt à dissiper, d'où il résulte un échauffement voisin de 400 C. On pourra admettre une température de 500 à l'entrée 24 et de 900 à la sortie 29, sous réserve que le système extérieur de pompage impose dans le bouilleur 3 une pression statique au moins égale à 4 atmosphères, pression qui correspond à une température de saturation égale à 1400 C environ et procure un écart de sous-saturation qui n'est pas inférieur à 500 C.
Sur la fig. 7, on a représenté une forme d'exécution particulièrement simple destinée au cas assez courant d'un appareil fonctionnant en position verticale stable.
Dans ce cas, il est possible de remplace-r les corps creux 11 ou 20, gonflés d'un gaz, par un tampon de vapeur résiduelle, accumulée dans une zone non refroidie et restant à l'écart de la circulation générale du liquide.
Dans ce but, l'enceinte 3 comporte à la partie supérieure un dôme 32 situé à un niveau supérieur à celui où débouche l'extrémité intérieure 33 de la tubulure de sortie de liquide 28. Cette extrémité 33 a une forme de cloche embrassant le fond 34 non dissipatif du corps chaud 1.
L'expérience a montré qu'une telle disposition peut être auto-stable et que le niveau du liquide s'établit plus haut que l'orifice de sortie de cette cloche 33, laissant subsister dans le dôme 32 une quantité de vapeur suffisante pour assurer l'amortissement du phénomène parasite.
L'échangeur de chaleur décrit trouve des applications dans des domaines industriels divers, notamment pour le refroidissement des anodes et collecteurs de tubes électroniques, et pour celui des éléments devant dissiper des flux de chaleur intense dans des machines thermiques et dans les réacteurs chimiques.
Surface boiling heat exchanger
The present invention relates to a heat exchanger with surface boiling, comprising a heat exchange wall provided with a network of dissipating extensions and an enclosure forming, with the heat exchange wall, a boiler confining a liquid in the vicinity of the exchange wall.
Surface boiling heat exchangers exhibit very high performance and operate absolutely stable and quiet under constant pressure, but are very unfavorably influenced by random variations in pressure which occur when operated in a confined space. .
This parasitic phenomenon has its origin in the fact that boiling is an essentially discontinuous process and especially in the fact that the condensation by mixing has random variations in efficiency, and this is greatly influenced by conditions such as pressure. , speed, turbulence, local temperature of liquid streams, and the extent and shape of vapor pockets within the liquid. At very high vaporization regimes, but still quite compatible, in themselves, with the improved type of the exchange wall, these random pressure variations, the amplitude of which can reach several atmospheres, produce depressions and cavitations localities which result in noise and possibly violent shocks and compromise the stability of the heat exchange.
The parasitic phenomenon described occurs not only in exchangers with a completely closed enclosure but also in so-called direct circulation exchangers.
The heat transfer takes place by local vaporization and condensation of the vapor produced, by mixing with the circulating liquid. In this type of exchanger, the appearance of the disturbing phenomenon must be linked to the fact that the inertia presented by the liquid contained in the inlet and outlet pipes opposes any rapid and random variation in the quantity of liquid contained at a given moment in the boiler.
The object of the present invention is to remedy the phenomenon described above, linked to the appearance of random variations in pressure.
For this, the heat exchanger according to the invention is characterized in that a portion of the interior of the boiler is occupied by at least one body with an elastically expandable volume,
The elastically expandable volume body may have one of the following constructions:
a) It can consist of a simple pocket of vapor, the arrangement of the boiler and the conditions for its cooling being such that a pocket of vapor is formed above the liquid level. This form of constitution is the easiest to achieve in heat exchangers with direct liquid circulation.
b) It can be constituted by a sealed enclosure, made of a flexible material and filled with a gas in a sufficiently small quantity so that, under the pressure and the operating temperature, this enclosure does not take its full volume. The body thus formed can be used as well in whole exchangers; only closed in those with direct circulation.
Several embodiments of the heat exchanger, object of the invention, will be described, by way of example, with reference to the appended drawing, to which:
Figs. 1 to 4 are schematic sectional views of the embodiments in which the boiler is completely closed.
Figs. 5 to 7 are schematic sectional views of embodiments with direct circulation of liquid, and
fig. 8 is a partial sectional view, the exchange wall of a variant.
Fig. 1 shows, in the form of a section passing through its axis, an assembly intended to cool, by surface boiling in a fully closed boiler, a hot body consisting of a section of hollow cylinder 1, closed at one of its ends . This body which can, for example, be formed by the anode of an electron tube, passes through a plate 2 and forms with the latter and a bell-shaped chamber 3 a sealed boiler.
The portion 4 of this body located inside the boiler and constituting the heat exchange wall comprises on its cylindrical part a network of extensions 5, established so as to make the surface of this part anisothermal in operation. Inside the boiler is arranged a secondary heat exchanger consisting of a copper coil 6 provided with two nozzles 7 and 8 allowing water to circulate therein. The boiler can be filled with a liquid 9 by a plug 10 with a tight seal.
The boiler contains several hollow bodies 11 of elastically expandable volume in a flexible material, previously inflated with a gas under a pressure lower than the desired operating pressure. These hollow bodies can be, for example, synthetic rubber balloons inflated with air, of spherical or toroidal shape. In operation, under the influence of the expansion of the liquid and its partial vaporization, they deform, as shown in 12, and will be able to damp any instantaneous variation, especially any abrupt decrease, of the pressure in the liquid. 9.
The thermal contact between the liquid 9 and the elements 4 and 6 is independent of gravity, since the boiler is in fact filled with liquid under pressure. Consequently, the device can operate in any position relative to the vertical, and even in the absence of gravity, a case which can be practiced on board a spacecraft. It may then be useful to fix the hollow bodies 11 in a region remote from the exchange wall 4 to prevent them from hindering the convection movements in the liquid.
According to a variant of the device of FIG. 1, we can in some cases place the body 1 1 in a removable part of the boiler, for example in a hollow stopper replacing the stopper 8. FIG. 2 shows at 13 such a plug in which the body 11 is retained by a mesh 14.
According to a variant shown in FIG. 3, the stopper itself comprises a compartment containing a gas and separated by a membrane from a space co, unifying with the main cavity of the boiler. The stopper consists of two hemispherical parts 15, 16 clamping together the edge of a membrane 17. Part 15 comprises a threaded pipe 18 which is screwed into the opening of the boiler and part 16 has a plug orifice 19, by which a gas is introduced into the space formed by the part 16 and the membrane 17.
Fig. 4 shows a heat exchanger which differs from the previous ones in that the hot body 1, which can be, for example, the anode of an electron tube or a cylinder of a heat engine, passes through the enclosure 3 of the boiler instead of to enter it only. The elastically expandable volume body consists of a toroidal enclosure 20 made of a flexible material, inflated with a gas, arranged coaxially with the hot wall 4 and separated from the latter by a deflector 21. The latter serves to promote intense movement. liquid by thermosiphon effect, by separating the ascending and descending veins. By its curved edges 22, it holds the body 11 in place.
The secondary exchanger which, in the examples described, is a liquid circulation coil, can be formed by any structure capable of ensuring, by cooling the primary liquid, the condensation of the vapor. I1 can, for example, consist of a zone of the enclosure 3, cooled from the outside by fins exposed to a forced current of air.
Fig. 5 shows a heat exchanger with surface boiling, using a circulation of the primary coolant and serving to cool a hot cylindrical body 1 such as the cylinder of a heat engine or the anode of a very high power electronic tube . This body passes through a to roidale enclosure 23 with which it forms the boiler. Its part 4 located inside the boiler constitutes the exchange wall and has a network of dissipating extensions 5. The evaporable liquid enters through the pipe 24.
Distributed around the cylindrical exchange wall 4 by a first manifold 25, it passes along this wall, guided by a cylinder 26, the end of which facing the inlet 24 has a flat rim 27 joining the enclosure 23 Collected by a second manifold 28, it exits through a tube 29. The body with elastically expandable volume consists of a toroidal enclosure 20 made of a flexible material inflated with a gas. This enclosure is placed in a compartment formed by the cylindrical part of the enclosure 23, the cylinder 26 and its rim 27 and fixed to this rim. The annular passage formed by the exchange wall 4 and the cylinder 26 is separated from the manifold 28 by a screen 30. The latter serves to cause local turbulence.
In fact, it has been observed that the phenomena of abrupt contractions and expansion take their origin most often in regions of great turbulence. The mesh 30 therefore promotes a looalization of this phenomenon in the collector, that is to say in a space communicating immediately with the compartment containing the elastic body 20.
Fig. 6 shows a variant of the previous exchanger in which the compartment containing the elastic body 20 communicates with the passage of the liquid through numerous perforations 31 of the cylinder 26 itself.
Since these perforations cause turbulence in the liquid, the elastic body 20 of this variant is also located in the immediate vicinity of the places where the disturbing phenomenon most often originates. I1 would be less advantageous and possibly unfavorable to put the elastic body in communication with the inlet manifold 25, in particular if the exchange wall 4 has a great length.
The heat exchangers of the type shown in FIGS. 5 and 6 can be designed to carry out heat exchanges at flows hitherto inaccessible, for example to cool the anode of an electron tube in which the electron bombardment of the internal wall imposes a heat dissipation which can clearly exceed a kilowatt per square centimeter and achieve, for example, 2 kw / cm2 over the entire interior wall 1.
The evacuation of such a density of heat flux, over an area which can reach several square decimeters, exceeds the possibilities of the most advanced forms of the known technique. This problem is solved with the exchangers shown in FIGS. 5 and 6, traversed by a sufficient flow current of a strongly undersaturated liquid and the exchange wall of which is formed according to FIG. 8, where the heat exchange wall 4 is provided with grooves whose average width d is less than one third of their depth b1 and the wall elements remaining between the grooves have in the direction transverse to the grooves an average thickness a connected to the depth b1 of the grooves and to the thermal conductivity c of the material constituting the wall by the following formula:
:
EMI3.1
w where b, and a are measured in cm, c in - and m is a
cm.oC numerical factor between 0.7 and 1.8.
For example, to dissipate several hundred kilowatts released with a flux density much greater than kw / cm2, distilled water will be used with a flow rate of only 0.35 liters / minute per kilowatt to be dissipated, resulting in a temperature rise of around 400 C. A temperature of 500 at inlet 24 and of 900 at outlet 29 can be allowed, provided that the external pumping system imposes a static pressure in the boiler 3 at least equal to 4 atmospheres, pressure which corresponds to a saturation temperature equal to approximately 1400 C and provides an undersaturation difference which is not less than 500 C.
In fig. 7 shows a particularly simple embodiment intended for the fairly common case of an apparatus operating in a stable vertical position.
In this case, it is possible to replace the hollow bodies 11 or 20, inflated with a gas, with a buffer of residual vapor, accumulated in an uncooled zone and remaining away from the general circulation of the liquid.
For this purpose, the enclosure 3 comprises at the top a dome 32 located at a level higher than that where the inner end 33 of the liquid outlet pipe 28 opens. This end 33 has the shape of a bell embracing the bottom. 34 non-dissipative of hot body 1.
Experience has shown that such an arrangement can be self-stable and that the level of the liquid is established higher than the outlet of this bell 33, leaving in the dome 32 a sufficient quantity of vapor to ensure damping of the parasitic phenomenon.
The heat exchanger described finds applications in various industrial fields, in particular for the cooling of anodes and collectors of electronic tubes, and for that of the elements having to dissipate intense heat flows in thermal machines and in chemical reactors.