EP0030483B1 - Echangeur de chaleur - Google Patents

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EP0030483B1
EP0030483B1 EP80401581A EP80401581A EP0030483B1 EP 0030483 B1 EP0030483 B1 EP 0030483B1 EP 80401581 A EP80401581 A EP 80401581A EP 80401581 A EP80401581 A EP 80401581A EP 0030483 B1 EP0030483 B1 EP 0030483B1
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EP
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heat
chamber
fluid
heat exchanger
enclosure
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EP80401581A
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EP0030483A1 (fr
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Jacques De Lallee
Daniel Tollens
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/02—Divers' equipment
    • B63C11/28—Heating, e.g. of divers' suits, of breathing air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger.
  • a heat exchanger is used to transmit heat from one body to another via one or more surfaces, metallic or not, separating the two bodies present simultaneously in the exchanger. These surfaces allowing heat exchange, in particular, can form one or more enclosures in which the body to be heated is located.
  • the two bodies in thermal contact may or may not be fluids which may or may not undergo a change of state.
  • the hot body can be a pure body or a eutectic mixture in liquid form which solidifies on contact with the cold body by releasing stored heat in the form of latent heat. As a result of this heat exchange, the cold body or heat transfer fluid may undergo vaporization.
  • the present invention applies to this type of exchanger whose hot body is an autonomous source of heat.
  • These heat exchangers can be used for air conditioning, underwater air conditioning, solar storage, heat recovery.
  • the heat exchanger as described above has some drawbacks in the case where the hot body is a material undergoing solidification during the heat exchange and the cold body a fluid undergoing vaporization.
  • the enclosure or enclosures immersed in the heat sink material are supplied by a fraction of the flow of sea water, heat transfer fluid, intended for heating a diving suit.
  • the steam that comes out of it condenses in a mixer, irregularly. This results in significant oscillations in the flow of the heat transfer fluid and in the temperature.
  • This particular application does not make it possible to envisage conventional methods for regulating the temperature and the flow rate of the heat-transfer fluid since the weight and size of the heat exchanger are limited.
  • the subject of the present invention is a heat exchanger which overcomes these drawbacks and in particular makes it possible to regulate the flow rate and the temperature of the heat transfer fluid by simple means of implementation.
  • This heat exchanger comprising a first enclosure within which a heat transfer material is placed, in thermal contact with at least a second enclosure at the top of which a cold heat transfer fluid arrives in the liquid state and at least one pipe placed in the second enclosure, through which the fluid leaves in the form of vapor or liquid-vapor mixture, is characterized in that the second enclosure has a lining making it possible to regulate the flow of the fluid to the bottom of the second enclosure, and the partial transformation of said vapor fluid being able to escape through the pipe pierced for this purpose with holes over its entire height.
  • the lining of the second enclosure is formed of ceramic rings, stacked in bulk on top of each other and in direct contact with said enclosure.
  • the lining of the second enclosure is formed of metal plates, compatible with the heat transfer fluid, perforated, regularly spaced from one another, and integral with the pipe.
  • This autonomous heat exchanger can be used in any position, which implies a certain fixity of the lining: complete filling of the second enclosure using ceramic rings, or welding of the perforated plates to the pipe.
  • the storage of calories is carried out using a molten salt with high latent heat of fusion, stored in the first enclosure.
  • the molten salt is a material with high latent heat of fusion, chosen from fluorides, chlorides and hydroxides of alkali and alkaline earth metals and eutectic mixtures of these materials.
  • the lining according to the invention is produced using perforated metal plates or ceramic rings, the regular formation of vapor instead of large bubbles of vapor is greatly facilitated.
  • the formation of this vapor allows better and rapid stabilization (approximately a few seconds instead of several minutes) of the temperature and of the flow of the heat-transfer fluid.
  • the surface in contact with the heat transfer fluid is large enough to trap the deposits transported by this fluid.
  • the heat transfer fluid used is sea water, which causes rapid scaling of the various parts constituting the heat exchanger. Consequently, the heat exchanger must be easily removable for complete cleaning, which is the case here.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger.
  • the heat transfer fluid before entering the heat exchanger arrives via a pipe 1 at a three-way valve 2.
  • This valve 2 is connected to a temperature measurement probe 3 making it possible to regulate the proportion of fluid to be heated and of cold fluid over time.
  • the part of the fluid to be heated enters one of the chambers forming the heat exchanger.
  • This enclosure can be central 4 and / or lateral 4a. This or these enclosures are in direct contact with the heat-storage material 5 placed in another enclosure 6.
  • the enclosure (s) 4 and 4a respectively contain a pipe 7 and 7a allowing the evacuation of the vapor formed.
  • This vapor is directed to a three-way mixer 8 where the proportion of the unheated heat transfer fluid also arrives.
  • the outgoing heat transfer fluid arrives in a buffer capacity 9 allowing the flow rate of the directly usable heat transfer fluid to be regulated.
  • FIG. 2 represents, in a first embodiment, an enclosure 4 of the heat exchanger in which the fluid to be heated circulates.
  • This enclosure comprises a pipe 1 allowing the fluid to enter this enclosure and a lining which, in this first embodiment, is formed of perforated metal plates 11, welded to a pipe 7 pierced with small holes 10 over its entire height, lining facilitating the transformation of the fluid into vapor which can escape through the holes 10 of the pipe 7.
  • This enclosure is, in addition, in direct contact with the heat-storage material 5.
  • FIG. 3 represents, in a second embodiment, the same enclosure 4 of the heat exchanger.
  • the common parts in Figure 2 keeping the same reference numbers, will not be the subject of a second description.
  • the lining is formed of small ceramic rings 11a, stacked in bulk on top of each other, rings of which a more detailed example has been drawn to better see the shape.
  • the cold heat transfer fluid arrives via line 1 in the thermostatically controlled three-way valve 2. Only part of the fluid is heated in the heat exchanger while the other part is directed to the mixer 8.
  • the cold fluid arrives at the top of or chambers 4 and 4a, in thermal contact with chamber 6 containing the hot molten salt.
  • part of the fluid On contact with this heat source, part of the fluid is transformed into vapor by means of the aforementioned packing. This vapor then escapes through the pipe 7 pierced for this purpose with diametrically opposite holes.
  • the part of the non-vaporized fluid can flow easily thanks to the packing to the bottom of the pipe, until it in turn vaporizes and escapes through said pipe.
  • the fluid thus heated arrives in the mixer 8, then in the buffer capacity 9 making it possible to regulate the flow rate of the heat transfer fluid.
  • the heat exchanger according to the invention thanks to its lining formed by small metal surfaces or not, allows rapid stabilization of the temperature and of the flow of the heat-transfer fluid.
  • the thermostatically controlled valve 2 makes it possible to regulate the proportion of hot fluid and cold fluid, therefore the water flow rate to be used to obtain a constant temperature from the start to the end of the manipulation.
  • tests have been carried out with cold water as coolant and as heat sink material with an eutectic mixture of fluoride and lithium hydroxide, melting at 450 ° C.

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Description

  • La présente invention concerne un échangeur de chaleur.
  • On sait qu'un échangeur de chaleur sert à transmettre de la chaleur d'un corps à un autre par l'intermédiaire d'une ou plusieurs surfaces, métalliques ou non, séparant les deux corps présents simultanément dans l'échangeur. Ces surfaces permettant l'échange de chaleur, peuvent en particulier, former une ou plusieurs enceintes dans lesquelles se trouve le corps à réchauffer.
  • On sait, d'autre part, que les deux corps en contact thermique peuvent être ou non des fluides pouvant ou non subir un changement d'état. En particulier, le corps chaud peut être un corps pur ou un mélange eutectique sous forme liquide se solidifiant au contact du corps froid en libérant de la chaleur emmagasinée sous forme de chaleur latente. A la suite de cet échange de chaleur le corps froid ou fluide caloporteur peut subir une vaporisation.
  • La présente invention s'applique à ce type d'échangeur dont le corps chaud est une source de chaleur autonome. Ces échangeurs de chaleur peuvent être utilisés pour la climatisation, la climatisation sous-marine, le stockage solaire, la récupération de calories.
  • L'échangeur de chaleur, tel qu'il est décrit précédemment présente quelques inconvénients dans le cas où le corps chaud est un matériau subissant une solidification lors de l'échange de chaleur et le corps froid un fluide subissant une vaporisation.
  • En effet, dès la mise en contact du matériau calostockeur en fusion et du fluide, par l'intermédiaire des surfaces d'échange thermique, le matériau se solidifie en libérant brusquement une grande quantité de chaleur qui entraîne une rapide vaporisation du fluide, donc une forte augmentation de la pression gazeuse. Il apparaît alors, de façon irrégulière, de grosses bulles de vapeur qui obstruent momentanément la ou les conduites d'évacuation. Par conséquent, le régime d'évaporation est instable (phénomène en dents de scie).
  • Dans le cas particulier de climatiseurs pour plongeurs sous-marins autonomes, la ou les enceintes plongées dans le matériau calostockeur sont alimentées par une fraction du débit d'eau de mer, fluide caloporteur, destinée au chauffage d'une combinaison de plongée. La vapeur qui en sort se condense dans un mélangeur, de façon irrégulière. Il en résulte des oscillations importantes du débit du fluide caloporteur et de la température. Cette application particulière ne permet pas d'envisager des méthodes classiques de régulation de la température et du débit du fluide caloporteur car le poids et l'encombrement de l'échangeur de chaleur sont limités.
  • La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur qui remédie à ces inconvénients et notamment permet de réguler le débit et la température du fluide caloporteur par des moyens de mise en oeuvre simples.
  • Cet échangeur de chaleur comprenant une première enceinte au sein de laquelle est placé un matériau calostockeur, en contact thermique avec au moins une deuxième enceinte au sommet de laquelle arrive un fluide caloporteur froid à l'état liquide et au moins une conduite placée dans la deuxième enceinte, par laquelle sort le fluide sous forme de vapeur ou de mélange liquide-vapeur, se caractérise en ce que la deuxième enceinte comporte un garnissage permettant de réguler l'écoulement du fluide jusqu'au bas de la deuxième enceinte, et la transformation partielle dudit fluide en vapeur pouvant s'échapper par la conduite percée à cet effet de trous sur toute sa hauteur.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le garnissage de la deuxième enceinte est formé d'anneaux en céramique, empilés en vrac les uns sur les autres et en contact direct avec ladite enceinte.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le garnissage de la deuxième enceinte est formé de plateaux en métal, compatible avec le fluide caloporteur, perforés, régulièrement espacés les uns des autres, et solidaires de la conduite.
  • Cet échangeur de chaleur autonome peut être utilisé dans n'importe quelle position, ce qui implique une certaine fixité du garnissage: remplissage complet de la deuxième enceinte à l'aide des anneaux en céramique, ou soudure des plateaux perforés à la conduite.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, le stockage de calories est réalisé à l'aide d'un sel fondu à chaleur latente de fusion élevée, stocké dans la première enceinte.
  • Dans le cas présent, le sel fondu est un matériau à chaleur latente de fusion élevée, choisi parmi les fluorures, les chlorures et les hydroxydes des métaux alcalins et alcalino-terreux et les mélanges eutectiques de ces matériaux.
  • Que le garnissage conforme à l'invention soit réalisé à l'aide de plateaux métalliques perforés ou d'anneaux en céramique, la formation régulière de vapeur au lieu de grosses bulles de vapeur est grandement facilitée. La formation de cette vapeur permet une meilleure et rapide stabilisation (environ quelques secondes au lieu de plusieurs minutes) de la température et du débit du fluide caloporteur. De plus, la surface en contact avec le fluide caloporteur est suffisamment grande pour piéger les dépôts transportés par ce fluide. Dans le cas particulier d'échangeur pour climatiseur autonome, le fluide caloporteur utilisé est de l'eau de mer, ce qui entraîne un entartrage rapide des différentes pièces constituant l'échangeur. En conséquence, l'échangeur de chaleur doit être facilement démontable en vue d'un nettoyage complet, ce qui est le cas ici.
  • Dans toute la suite du texte on décrira des exemples dans lesquels la deuxième enceinte ne comporte qu'une conduite secondaire, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et qu'elle s'applique aussi bien au cas où plusieurs conduites secondaires seraient employées en parallèle.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux à l'aide de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles:
    • - la figure 1 représente schématiquement un échangeur de chaleur pour climatiseur de plongeur autonome;
    • - la figure 2 représente schématiquement une partie de l'échangeur de chaleur de la figure 1, dans laquelle conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, le garnissage de l'enceinte est formé de plateaux métalliques perforés;
    • - la figure 3 représente schématiquement une partie de l'échangeur de chaleur de la figure 1, dans laquelle conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention, le garnissage de l'enceinte est formé d'anneaux en céramique.
  • La figure 1 représente un échangeur de chaleur. Le fluide caloporteur avant de pénétrer dans l'échangeur de chaleur arrive par un conduit 1 au niveau d'une vanne trois voies 2. Cette vanne 2 est reliée à une sonde de mesure de température 3 permettant de réguler la proportion de fluide à réchauffer et de fluide froid au cours du temps. La partie du fluide à réchauffer pénètre dans une des enceintes formant l'échangeur de chaleur. Cette enceinte peut être centrale 4 et/ou latérale 4a. Cette ou ces enceintes sont en contact direct avec le matériau calostockeur 5 placé dans une autre enceinte 6. La ou les enceintes 4 et 4a contiennent respectivement une conduite 7 et 7a permettant l'évacuation de la vapeur formée. Cette vapeur est dirigée sur un mélangeur trois voies 8 où arrive en outre la proportion du fluide caloporteur non réchauffé. Le fluide caloporteur sortant arrive dans une capacité tampon 9 permettant la régulation du débit du fluide caloporteur directement utilisable.
  • La figure 2 représente, dans un premier mode de réalisation, une enceinte 4 de l'échangeur de chaleur dans laquelle circule le fluide à réchauffer. Cette enceinte comprend une canalisation 1 permettant l'entrée du fluide dans cette enceinte et un garnissage qui, dans ce premier mode de réalisation, est formé de plateaux métalliques perforés 11, soudés à une conduite 7 percée de petits trous 10 sur toute sa hauteur, garnissage facilitant la transformation du fluide en vapeur pouvant s'échapper par les trous 10 de la conduite 7. Cette enceinte est, en outre, en contact direct avec le matériau calostockeur 5.
  • La figure 3 représente, dans un deuxième mode de réalisation, la même enceinte 4 de l'échangeur de chaleur. Les parties communes à la figure 2 gardant les même numéros de référence, ne feront pas l'objet d'une deuxième description.
  • Dans ce deuxième mode de réalisation, le garnissage est formé de petits anneaux en céramique 11a, empilés en vrac les uns sur les autres, anneaux dont on a dessiné un exemplaire plus détaillé pour mieux voir la forme.
  • Une description générale du fonctionnement de l'échangeur de chaleur permettra de mieux comprendre l'invention. Le fluide caloporteur froid arrive par le conduit 1 dans la vanne trois voies thermostatée 2. Une partie seulement du fluide est réchauffée dans l'échangeur de chaleur tandis que l'autre partie est dirigée vers le mélangeur 8. Le fluide froid arrive en haut de ou des enceintes 4 et 4a, en contact thermique avec l'enceinte 6 contenant le sel fondu chaud. Au contact de cette source de chaleur, une partie du fluide se transforme en vapeur au moyen du garnissage précité. Cette vapeur s'échappe alors par la conduite 7 percée à cet effet de trous diamétralement opposés. La partie du fluide non vaporisée peut s'écouler facilement grâce au garnissage jusqu'au bas de la conduite, jusqu'à ce qu'elle se vaporise à son tour et s'échappe par ladite conduite. Le fluide ainsi réchauffé arrive dans le mélangeur 8, puis dans la capacité tampon 9 permettant de réguler le débit du fluide caloporteur.
  • L'échangeur de chaleur selon l'invention, grâce à son garnissage formé de petites surfaces métalliques ou non, permet une rapide stabilisation de la température et du débit du fluide caloporteur.
  • Au fur et à mesure que le fluide caloporteur arrive dans l'échangeur et se réchauffe, le sel fondu se solidifie et se refroidit; ceci entraîne une diminution de la température du fluide caloporteur réchauffé au cours du temps. A cet effet, la vanne 2 thermostatée permet de réguler la proportion de fluide chaud et de fluide froid, donc le débit d'eau à utiliser pour obtenir une température constante du début jusqu'à la fin de la manipulation.
  • A titre d'exemple, des essais ont été réalisés avec comme fluide caloporteur de l'eau froide et comme matériau calostockeur un mélange eutectique de fluorure et d'hydroxyde de lithium fondant à 450° C.
  • Pour une masse de 600 grammes (g) de ce mélange et un débit d'eau froide à 15° C de 60 I/h, on a obtenu de l'eau chaude à 50° C. Cette élévation de température de l'eau correspond à une puissance disponible de 2,7 KW.

Claims (4)

1. Echangeur de chaleur comprenant une première enceinte (6) au sein de laquelle est placé un matériau calostockeur, en contact thermique avec au moins une deuxième enceinte (4 ou 4a), au sommet de laquelle arrive un fluide caloporteur froid à l'état liquide et au moins une conduite (7 ou 7a), placée dans la deuxième enceinte (4 ou 4a), par laquelle sort le fluide sous forme de vapeur ou du mélange liquide-vapeur, caractérisé en ce que la deuxième enceinte (4 ou 4a) comporte un garnissage (11 ou 11a) permettant de réguler l'écoulement du fluide jusqu'au bas de la deuxième enceinte (4 ou 4a) et la transformation partielle dudit fluide en vapeur pouvant s'échapper par la conduite (7 ou 7a), percée à cet effet de trous (10) sur toute sa hauteur.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le garnissage de la deuxième enceinte (4 ou 4a) est formé d'anneaux en céramique (11a), empilés en vrac les uns sur les autres, et en contact direct avec ladite enceinte.
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le garnissage de la deuxième anceinte (4 ou 4a) est formé de plateaux en métal (11), compatible avec le fluide caloporteur, perforés, régulièrement espacés les uns des autres, et solidaires de la conduite (7 ou 7a).
4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau calostockeur est réalisé à l'aide d'un sel fondu (5), à chaleur latente de fusion élevée, stocké dans la première enceinte (6).
EP80401581A 1979-11-26 1980-11-05 Echangeur de chaleur Expired EP0030483B1 (fr)

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EP0030483A1 EP0030483A1 (fr) 1981-06-17
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