CH522191A - Echangeur de chaleur à ébullition de surface - Google Patents

Description

  
 



  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. 

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Echangeur 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, caractérisé en ce qu'une portion de l'intérieur du bouilleur (3) est occupée par au moins un corps (11, 12) à volume élastiquement expansible.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur selon la revendication, caractérisé en ce que le corps à volume élastiquement expansible (11, 12) est constitué par une enceinte étanche, faite d'une matière souple et remplie d'un gaz à une quantité suffisamment faible pour qu'elle ne prenne pas son plein volume sous la pression moyenne et à la température régnant dans le bouilleur (3).

   2. Echangeur de chaleur selon la sous-revendica tion 1, caractérisé en ce que le corps à volume élastiquement expansible (11) est placé dans une partie amovible (13) du bouilleur (3) servant de bouchon.

   3. Echangeur de chaleur selon la revendication, caractérisé en ce que le corps à volume élastiquement expan- sible est constitué par un compartiment formé par une membrane souple (17) et une portion de paroi d'une enceinte amovible (15, 16) communiquant avec l'espace principal du bouilleur (3), ce compartiment étant rempli d'un gaz à une quantité telle qu'il ne prend pas son plein volume sous la pression moyenne régnant dans le bouilleur (3) au cours du fonctionnement.

   4. Echangeur de chaleur selon la revendication ou la sous-revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le bouilleur (3) entièrement fermé comporte un échangeur secondaire de chaleur (6) à circulation de fluide secondaire, situé dans le voisinage immédiat du corps à volume élastiquement expansible (20).

   5. Echangeur de chaleur selon la revendication, carac- térisé en ce que le bouilleur (23) comporte des tubuluxes d'entrée (24) et de sortie (25) permettant son fonctionnement à circulation directe du liquide de refroidis sement (9).

   6. Echangeur de chaleur selon la sous-revendication 5, caractérisé en ce que le corps à volume élastiquement expansible (20) est placé dans un compartiment (23, 26) communiquant avec la zone du bouilleur avoisinant la tubulure de sortie (29).

   7. Echangeur de chaleur selon la sous-revendication 5, caractérisé en ce que le corps à volume élastiquement expansible (20) est logé dans un compartiment (23, 26) formant avec la paroi d'échange de chaleur (4) l'espace d'écoulement de liquide et possédant des perforations (31) du côté de la paroi d'échange de chaleur (4).

   8. Echangeur de chaleur selon la sous-revendication 5, caractérisé en ce que le corps à volume élastiquement expansible est constitué par une poche de vapeur (32) au contact d'une partie non refroidie de l'enceinte (3) du bouilleur.

   9. Echangeur de chaleur selon la sous-revendication 8, caractérisé en ce que la tubulure de sortie s'ouvre vers l'intérieur du bouilleur en un point situé, en position de fonctionnement, en dessous du sommet du bouilleur de façon à permettre l'accumulation d'une poche de vapeur (32).

   10. Echangeur de chaleur selon la revendication, caractérisé en ce que la paroi d'échange de chaleur (4) est munie de gorges dont la largeur moyenne (d) est inférieure à un tiers de leur profondeur (bol) et les éléments de paroi subsistant entre les gorges possèdent dans la direction transversale aux gorges une épaisseur moyenne (a) reliée à la profondeur (bol) des gorges et à la conductibilité thermique (c) du matériau constituant la paroi par la formule suivante: EMI3.2 w où b1 et a sont mesurés en cm, c n en et m est un cm. 0C facteur numérique compris entre 0,7 et 1,8.