EP0641980B1 - Dispositif d'échange de chaleur avec un fluide en cours de congélation partielle - Google Patents

Dispositif d'échange de chaleur avec un fluide en cours de congélation partielle Download PDF

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EP0641980B1
EP0641980B1 EP94420241A EP94420241A EP0641980B1 EP 0641980 B1 EP0641980 B1 EP 0641980B1 EP 94420241 A EP94420241 A EP 94420241A EP 94420241 A EP94420241 A EP 94420241A EP 0641980 B1 EP0641980 B1 EP 0641980B1
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EP
European Patent Office
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fluid
cooled
rotor
heat exchange
circulation
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP94420241A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0641980A1 (fr
Inventor
Adrien Laude-Bousquet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
A. LAUDE-BOUSQUET
Johnson Controls Enterprises SAS
Original Assignee
MC International SA
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Publication date
Application filed by MC International SA filed Critical MC International SA
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25C—PRODUCING, WORKING OR HANDLING ICE
    • F25C1/00—Producing ice
    • F25C1/12—Producing ice by freezing water on cooled surfaces, e.g. to form slabs
    • F25C1/14—Producing ice by freezing water on cooled surfaces, e.g. to form slabs to form thin sheets which are removed by scraping or wedging, e.g. in the form of flakes

Definitions

  • the present invention relates generally to any indirect heat exchange between, on the one hand a refrigerant or refrigerant, for example a refrigerant (for example ammonia) during vaporization, and on the other hand a fluid with cool, namely a liquid during cooling and / or partial freezing, excluding any setting or mass of said fluid, such as glycol, alcoholic or salty water, the crystallization point of which is less than 0 ° vs.
  • a refrigerant or refrigerant for example a refrigerant (for example ammonia) during vaporization
  • a fluid with cool namely a liquid during cooling and / or partial freezing, excluding any setting or mass of said fluid, such as glycol, alcoholic or salty water, the crystallization point of which is less than 0 ° vs.
  • scraped surface heat exchangers constitute devices of complicated structure and construction, and therefore of a non-negligible cost, in particular if the scrapers are pivotally mounted on the rotor, each with its own return means. .
  • the subject of the present invention is an alternative to scraped surface heat exchangers, which is much simpler as regards its construction and operation.
  • the present invention in general, to oppose the deposition of any solid layer on the hot face of the heat exchange wall, there is created in the current of the fluid to be cooled, circulating in the aforementioned pressure circulation conduit. , and in contact with the hot face of the heat exchange wall, a turbulent boundary layer, sub-cooled in the liquid phase, and in direct heat exchange with the rest of the current of the fluid to be cooled.
  • the various antagonistic elements of the deposition of any solid layer of the fluid to be cooled, on the hot face of the heat exchange wall comprise a multiplicity of flexible filaments, one end of which is integral with the rotor , and whose other free end is adjacent, that is to say in contact or in the vicinity but at a distance from the hot face of the heat exchange wall.
  • the flexible filaments are arranged essentially to stir in the liquid phase the boundary layer of the current of the fluid to be cooled, in contact with the hot face of the heat exchange wall, and in admixture with the rest of said fluid to cool.
  • sub-cooled is meant the characteristic that the heat exchange fluid is brought into the liquid phase, that is to say without at least partial freezing, at a temperature below its crystallization point.
  • the formation of a turbulent boundary layer in contact with the hot face of the heat exchange wall has the effect that freezing takes place, not on the hot face of said wall, but within of the fluid to be cooled in circulation, immediately in the vicinity of said wall, by direct heat exchange, that is to say by mixing the turbulent and sub-cooled boundary layer, expelled from said hot face, with the rest of the fluid to cool.
  • this turbulent boundary layer is obtained, in a non-exclusive manner, by the vibratile effect, of agitation and / or homogenization of the free end of the flexible filaments, in rotation.
  • the intrinsic characteristics of these filaments including the nature (in terms of flexibility and / or rigidity, resistance to low temperatures, etc.), as well as the arrangement of these different filaments, including density per unit area, are chosen, firstly according to the nature of the fluid to be cooled, and secondly the speed of rotation of the rotor, so as to obtain the turbulent boundary layer in phase liquid, characterizing the present invention.
  • the present invention also provides the following determining advantages.
  • the freezing of the fluid to be cooled takes place by obtaining micro-crystals, that is to say solid phase crystals of dimensions much smaller than those of the crystals obtained with a scraped surface exchanger. Obtaining such micro-crystals promotes the homogeneity of the cooled fluid, that is to say of the mixture of the liquid and solid phases of said fluid.
  • micro-crystals reduce or suppress the inertia when melting the cooled fluid, obtained in two-phase form, which appears extremely favorable when said fluid is then used in heat exchange processes, in particular refrigeration, with exchange of the latent heat of fusion of the solid phase of said fluid.
  • the present invention also makes it possible to reduce or limit the expenditure of energy required, in particular mechanical energy, to prevent or counteract the formation of any solid layer on the hot face of the heat exchange wall.
  • the invention also makes it possible to increase the heat exchange coefficient of the fluid during cooling with respect to the heat exchange wall.
  • the filamentary members 15 are separated from each other, being at the same time, superimposed in groups of two, and offset angularly with respect to the axis of the rotor, for example at an angle of 90 ° or 60 °, from one group to another, and this from one end to the other of the circulation duct 3. And two filamentary members 15 of the same group are arranged opposite in a single and same diametrical plane.
  • the rotor drive means 40 consists of a motor 17 mounted outside of the circulation duct 3, and coupled to the rotor 12 by any suitable means, for example a gear motor.
  • FIG. 2 differs from that previously described, by the mode of driving the rotor 12.
  • the rotor is driven, with a means 18 acting under the driving effect of the fluid 2 to be cooled, passing through the circulation duct 3.
  • conduits 3 for circulation of the fluid to be cooled are arranged in a battery.
  • one and the same motor 17 is coupled by a transmission means 31 to the various rotors 12 of the various circulation conduits 3.
  • the embodiment shown in Figure 7 includes a battery of conduits 3, as previously described with reference to Figures 4 to 6. But in this case, and as already described with reference to Figure 2, the motor 17 has been deleted in favor of motor means 23 integrated in the rotors 12, and acting under the sole effect of the circulation of the fluid 2. To this end, the distributor 29 of the fluid to be cooled communicates only with the different axial inlets 21 of the hollow rotors 12 of the different traffic conduits 3 respectively.
  • filamentary members 15 are superimposed in pairs, possibly being angularly offset from one pair to the other, as shown more particularly in FIGS. 10 to 14.
  • the same arm 46 or 47 of radial extension carries two filamentary members 15 opposite one with respect to the other, in relation to the two hot faces 6a of two exchange partitions 42 and 43 thermal, belonging respectively to the two abovementioned capacities 41, that is to say facing one another.
  • FIG. 9 differs from that described according to FIG. 8, essentially by the presence of vanes 54 for driving the rotor 12, under the driving effect of the fluid 2 to be cooled in circulation, distributed radially in the box 51 of introduction of said fluid.
  • the pairs of radial arms 46 and 47 are angularly offset with respect to each other, at a predetermined angle, for example 60 °, and this according to the same direction of rotation, clockwise or counterclockwise.
  • the fixed tube 55 has two perforations 55a and 55b, axially elongated, and opposite.
  • the angular dimension of each perforation 55a or 55b is identical to the predetermined angle of offset from one pair to the other, for example 60 °.

Description

  • La présente invention concerne de manière générale tout échange de chaleur indirect entre, d'une part un fluide frigorigène ou réfrigérant, par exemple un liquide frigorigène (par exemple de l'ammoniac) en cours de vaporisation, et d'autre part un fluide à refroidir, à savoir un liquide en cours de refroidissement et/ou congélation partielle, à l'exclusion de toute prise ou masse dudit fluide, tel que de l'eau glycolée, alcoolisée ou salée, dont le point de cristallisation est inférieur à 0°C.
  • S'agissant du refroidissement avec congélation partielle d'un liquide ou fluide, de manière à éviter la prise en masse de ce dernier sous l'effet de sa solidification, et obtenir un fluide consistant en un mélange homogène des phases liquide et solide du fluide, on connaît déjà (voir le document EP-A-0 257 936) et utilise des dispositifs d'échange de chaleur dits "à surface raclée", comprenant :
    • au moins un conduit de circulation sous pression du fluide à refroidir, d'une entrée à une sortie opposée pour ledit fluide, et dont la paroi constitue une surface d'échange thermique, avec une face dite chaude au contact du fluide à refroidir, et une face opposée, dite froide, au contact du fluide frigorigène ;
    • une enveloppe ménageant avec et autour dudit conduit de circulation une enceinte ou moyen de réception ou passage du fluide frigorigène, préférentiellement à contre-courant du fluide à refroidir, d'une entrée à une sortie pour ledit fluide frigorigène ;
    • et un moyen mécanique antagoniste du dépôt sur la face chaude de la paroi du conduit, de toute couche solide du fluide en cours de refroidissement, ce moyen comportant un rotor monté au sein dudit conduit, et différents éléments antagonistes dudit dépôt, consistant chacun en un racleur au contact ou au voisinage de la face chaude de la paroi du conduit ; ces différents éléments dits antagonistes sont distribués selon l'axe et autour du rotor, et entraînés par un moyen moteur, monté à l'extérieur du conduit de circulation.
  • Un tel dispositif d'échange de chaleur, à surface raclée, permet d'échanger de la chaleur entre, d'une part le fluide frigorigène, par exemple en cours de vaporisation, et d'autre part le fluide à refroidir, en cours de congélation partielle, et ceci :
    • en faisant circuler un courant du fluide à refroidir, sous pression dans le conduit de circulation, en échange de chaleur indirect avec le fluide frigorigène, de part et d'autre de la paroi d'échange thermique, c'est-à-dire de la paroi dudit conduit, dont l'une des faces, dite chaude est au contact du fluide à refroidir, et dont l'autre face, dite froide est au contact du fluide frigorigène
    • et en s'opposant, au moyen du rotor avec ses racleurs, au dépôt sur la face chaude de la paroi d'échange thermique, de toute couche solide du fluide à refroidir.
  • Aujourd'hui, les échangeurs de chaleur à surface raclée constituent des dispositifs de structure et construction compliquées, et donc d'un coût non négligeable, en particulier si les racleurs sont montés sur le rotor de manière pivotante, chacun avec son propre moyen de rappel.
  • La présente invention a pour objet une alternative aux échangeurs de chaleur à surface raclée, beaucoup plus simple quant à sa construction et son fonctionnement.
  • Selon la présente invention, de manière générale, pour s'opposer au dépôt de toute couche solide sur la face chaude de la paroi d'échange thermique, on crée dans le courant du fluide à refroidir, circulant dans le conduit précité de circulation sous pression, et au contact de la face chaude de la paroi d'échange thermique, une couche limite turbulente, sous-refroidie en phase liquide, et en échange de chaleur direct avec le reste du courant du fluide à refroidir.
  • A cette fin, selon la revendication 1, les différents éléments antagonistes du dépôt de toute couche solide du fluide à refroidir, sur la face chaude de la paroi d'échange thermique, comprennent une multiplicité de filaments souples, dont une extrémité est solidaire du rotor, et dont l'autre extrémité libre est adjacente, c'est-à-dire au contact ou au voisinage mais à distance de la face chaude de la paroi d'échange thermique. En relation avec la rotation du rotor, les filaments souples sont agencés essentiellement pour agiter en phase liquide la couche limite du courant du fluide à refroidir, au contact de la face chaude de la paroi d'échange thermique, et en mélange avec le reste dudit fluide à refroidir.
  • Par "sous-refroidie", on entend la caractéristique selon laquelle le fluide d'échange thermique est amené en phase liquide, c'est-à-dire sans congélation au moins partielle, à une température inférieure à son point de cristallisation.
  • Grâce à la présente invention, la formation d'une couche limite turbulente au contact de la face chaude de la paroi d'échange thermique a pour effet que la congélation s'effectue, non pas sur la face chaude de ladite paroi, mais au sein du fluide à refroidir en circulation, immédiatement au voisinage de ladite paroi, par échange de chaleur direct, c'est-à-dire par mélange de la couche limite turbulente et sous-refroidie, chassée de ladite face chaude, avec le reste du fluide à refroidir.
  • Comme indiqué précédemment, cette couche limite turbulente est obtenue, de manière non exclusive, par l'effet vibratile, d'agitation et/ou homogénéisation de l'extrémité libre des filaments souples, en rotation.
  • Les caractéristiques intrinsèques de ces filaments, dont la nature (en termes de souplesse et/ou rigidité, résistance à des basses températures, etc.), ainsi que l'agencement de ces différents filaments, dont densité par unité de surface, sont choisis, d'une part en fonction de la nature du fluide à refroidir, et d'autre part de la vitesse de rotation du rotor, de manière à obtenir l'obtention de la couche limite turbulente en phase liquide, caractérisant la présente invention.
  • La présente invention apporte encore les avantages déterminant suivants.
  • Grâce à l'échange de chaleur direct entre la couche limite turbulente et le reste du fluide à refroidir, et/ou sous l'action de l'extrémité libre de la multiplicité des filaments, la congélation du fluide à refroidir s'effectue en obtenant des micro-cristaux, c'est-à-dire des cristaux de phase solide de dimensions bien inférieures à celles des cristaux obtenus avec un échangeur à surface raclée. L'obtention de tels micro-cristaux favorise l'homogénéité du fluide refroidi, c'est-à-dire du mélange des phases liquide et solide dudit fluide. Et ces micro-cristaux diminuent ou suppriment l'inertie à la fusion du fluide refroidi, obtenu sous forme diphasique, ce qui apparaît extrêmement favorable lorsque ledit fluide est utilisé ensuite dans des processus d'échange thermique, notamment de réfrigération, avec échange de la chaleur latente de fusion de la phase solide dudit fluide.
  • La présente invention permet également de diminuer ou limiter la dépense d'énergie nécessaire, notamment d'énergie mécanique, pour empêcher ou contrarier la formation de toute couche solide sur la face chaude de la paroi d'échange thermique.
  • Et l'invention permet aussi d'augmenter le coefficient d'échange thermique du fluide en cours de refroidissement par rapport à la paroi d'échange thermique.
  • Selon la présente invention, de manière préférée, mais non exclusivement, les modalités d'exécution suivantes peuvent être retenues :
    • lesdits éléments antagonistes sont séparés les uns des autres, en formant une pluralité d'organes filamentaires, notamment disposés axialement, et distribués selon l'axe et autour du rotor ; ou lesdits filaments constituent ensemble une hélice, continue ou discontinue, autour de l'axe du rotor ;
    • le moyen d'entraînement du rotor consiste en un moteur monté à l'extérieur du conduit de circulation, et couplé au rotor de ce dernier ; ou il n'existe pas de moteur extérieur, et les moyens d'entraînement du rotor sont constitués par tout système ou agencement auto-moteur, entraînant ledit rotor sous l'effet moteur du fluide à refroidir passant dans le conduit de circulation ; ce système ou agencement auto-moteur peut d'ailleurs être appliqué à tout dispositif de refroidissement, tel que défini généralement dans le préambule de la présente description, conforme ou non à la présente invention
    • les conduits de circulation peuvent être disposés en batterie, et à cette fin, le dispositif selon l'invention comprend une pluralité de conduits de circulation du fluide à refroidir, disposés en parallèle, et une enveloppe commune ménageant avec lesdits conduits une seule et même enceinte de passage du fluide frigorigène, un distributeur du fluide à refroidir dans les différents conduits de circulation, et un collecteur du fluide refroidi évacué des différents conduits de circulation ; dans ce cas, on fait circuler une pluralité de courants du fluide à refroidir, en échange de chaleur indirect avec le fluide frigorigène.
  • La présente invention est maintenant décrite par référence au dessin annexé, dans lequel :
    • la figure 1 représente, en coupe verticale, un dispositif d'échange de chaleur selon un mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 2 représente, toujours en coupe transversale et verticale, un dispositif d'échange de chaleur selon un deuxième mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 3 représente, en coupe longitudinale et verticale, un dispositif d'échange de chaleur selon un troisième mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 4 représente, en coupe verticale, un dispositif d'échange de chaleur selon un quatrième mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 5 représente le dispositif selon figure 4, en coupe selon la ligne V.V de cette dernière ;
    • la figure 6 représente une vue en coupe d'un conduit de circulation appartenant au dispositif selon figures 4 et 5, selon la ligne de coupe VI.VI de la figure 4 ;
    • la figure 7 représente un dispositif d'échange de chaleur selon un cinquième mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 8 représente, en coupe axiale, un dispositif d'échange de chaleur selon un sixième mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 9 représente, un dispositif d'échange de chaleur selon un septième mode d'exécution de l'invention, toujours en coupe axiale ;
    • la figure 10 représente, en coupe axiale, un dispositif selon un huitième mode d'exécution de l'invention ;
    • la figure 11 représente une vue de dessus du rotor appartenant au dispositif selon figure 10 ;
    • les figures 12 à 14 explicitent, dans des plans transversaux respectivement superposés, la relation angulaire existant entre le tube fixe du rotor d'un dispositif selon figure 10, et respectivement trois paires de bras radiaux superposés, mais décalés angulairement les uns par rapport aux autres.
  • Conformément à la figure 1, le dispositif selon l'invention permet d'échanger indirectement de la chaleur entre, d'une part, un fluide frigorigène 1, par exemple de l'ammoniac en cours de vaporisation, et d'autre part, un fluide 2 à refroidir, par exemple de l'eau dont on a abaissé le point de congélation (par exemple eau glycolée, alcoolisée ou salée), en cours de congélation ou cristallisation partielle. Ce dispositif comprend :
    • un conduit 3 droit, disposé verticalement, pour la circulation sous pression du fluide 2 à refroidir, d'une entrée 4 située au bas du conduit 3, à deux sorties 5 opposées, situées au haut du conduit 3 ; c'est la paroi métallique 6 du conduit 3 qui constitue la surface d'échange thermique entre le fluide frigorigène 1, du côté de sa face dite froide 6b, et le fluide à refroidir 2, du côté de sa face dite chaude 6a ;
    • une enveloppe 7, rapportée sur le conduit 3, ménageant avec et autour de ce dernier, une enceinte ou moyen de passage du fluide frigorigène 1, à contre-courant du fluide 2 à refroidir, d'une entrée haute 9 à une sortie basse 10 ;
    • un moyen mécanique 11 antagoniste du dépôt, sur la face chaude 6a de la paroi 6 d'échange thermique, de toute couche solide du fluide à refroidir.
  • Conformément à l'invention, ce moyen mécanique 11 comprend :
    • un rotor 12 monté au sein du conduit 3 ;
    • une pluralité d'organes filamentaires 15, disposés axialement, en étant distribués selon l'axe et autour du rotor 12, et comportant chacune une multiplicité de filaments 14 radiaux et souples, formant des éléments antagonistes 13 du dépôt de toute couche solide sur la face chaude 6a de la paroi du conduit 3 ; ces filaments 14 peuvent être obtenus par exemple en toute matière synthétique, relativement souple et rigide à la fois, par exemple à partir de fils de polyamide ; chaque filament 14 a une extrémité solidaire du rotor, et l'autre extrémité libre adjacente à la paroi du conduit de circulation, c'est-à-dire au contact ou au voisinage immédiat de la face chaude 6a du conduit 6 ;
    • et un moyen 40 d'entraînement du rotor 12 équipé des organes filamentaires 15.
  • Comme représenté à la figure 1, les organes filamentaires 15 sont séparés les uns des autres, en étant à la fois, superposés par groupes de deux, et décalés angulairement par rapport à l'axe du rotor, par exemple selon un angle de 90° ou 60°, d'un groupe à l'autre, et ceci d'une extrémité à l'autre du conduit 3 de circulation. Et deux organes filamentaires 15 d'un même groupe sont disposés de manière opposée dans un seul et même plan diamétral.
  • Le moyen d'entraînement 40 du rotor consiste en un moteur 17 monté à l'extérieur du conduit de circulation 3, et couplé au rotor 12 par tout moyen approprié, par exemple un moto-réducteur.
  • Avec l'échangeur précédemment décrit par référence à la figure 1, on échange de la chaleur entre, d'une part le fluide frigorigène 1 en cours de vaporisation, dans l'enceinte ménagée entre l'enveloppe 7 et le conduit 3, et d'autre part le fluide à refroidir, circulant sous pression dans le conduit 3, en cours de congélation partielle, à l'exclusion de toute prise en masse dudit fluide, notamment par dépôt d'une couche solide sur la face chaude 6a de la paroi métallique 6. A cette fin :
    • on fait circuler, sous pression, un courant du fluide 2 à refroidir, dans le conduit 3, en échange de chaleur indirect avec le fluide frigorigène 1, lesdits fluides étant respectivement de part et d'autre de la paroi 6 d'échange thermique. La face chaude 6a de la paroi 6 est au contact du fluide à refroidir, tandis que l'autre face froide 6b de la même paroi 6 est au contact du fluide frigorigène 1 ;
    • grâce au moyen mécanique 11, constitué comme décrit précédemment par le rotor 12 et sa pluralité d'organes filamentaires 15, et au moyen 40 d'entraînement, on crée dans le courant du fluide 2 à refroidir, et au contact de la face chaude 6a de la paroi 6 du conduit 3, une couche limite turbulente, sous-refroidie en phase liquide, et en échange de chaleur direct avec le reste du courant du fluide à refroidir.
  • Ainsi, non seulement on s'oppose au dépôt sur la face chaude 6a de la paroi 6, de toute couche solide du fluide à refroidir, mais aussi on favorise le mélange direct et homogène de ladite couche avec le reste du courant du fluide à refroidir, en formant des micro-cristaux de phase solide, qui sont entraînés et évacués dans le courant, sans possibilité d'adhésion ou dépôt sur la face chaude 6a de la paroi 6 précitée.
  • Le mode d'exécution représenté à la figure 2 diffère de celui précédemment décrit, par le mode d'entraînement du rotor 12.
  • Selon la figure 2, on entraîne le rotor, avec un moyen 18 agissant sous l'effet moteur du fluide 2 à refroidir, passant dans le conduit de circulation 3.
  • Conformément à la figure 2, ce moyen 18 est obtenu par la combinaison des dispositions suivantes :
    • le rotor 12 est creux, et aménagé pour une circulation axiale du fluide 2 à refroidir, préalable à sa circulation dans le conduit 3, d'une entrée axiale 21, du côté de l'entrée 4 dans le conduit de circulation, à une sortie opposée 22 d'introduction du fluide, par retour dans le conduit 3 proprement dit, entre ce dernier et le rotor 12 ;
    • un moyen moteur 23, sous l'effet du fluide 2 circulant à l'intérieur du rotor 12, est monté dans ce dernier et calé en rotation sur ledit rotor ; selon ce mode d'exécution, ce moyen moteur 23 consiste en une hélice 24 coaxiale au rotor 12, comportant un noyau axial 25 et une aile 26 hélicoïdale reliant ce dernier et la paroi 27 du rotor, en ménageant un canal 28 hélicoïdal de circulation du fluide 2 à refroidir.
  • Le mode d'exécution de la figure 3 diffère de ceux décrits par référence aux figures 1 et 2, par les caractéristiques techniques suivantes :
    • les éléments antagonistes 13, ou multiplicité de filaments 14 radiaux et souples, constituent ensemble une hélice 16 continue, autour de l'axe 12, ce qui permet au surplus de transporter le fluide 2 à refroidir, à la manière d'une vis d'Archimède ;
    • l'entraînement du rotor 12, sous l'effet moteur du fluide 2 à refroidir passant dans le conduit de circulation 3, est obtenu d'une autre manière ; plus précisément, une pluralité de pales 19 sont montées sur le rotor 12, chacune s'étendant avec au moins une direction radiale, et présentant par rapport au fluide 2 en circulation, une surface antérieure opposant localement une résistance audit fluide ; comme le montre la figure 3, les pales sont distribuées et disposées dans l'interstice 20, délimité par l'hélice radiale 16.
  • Le mode d'exécution décrit par référence aux figures 4 à 6 diffère de ceux décrits précédemment, par le fait que les conduits 3 de circulation du fluide à refroidir sont disposés en batterie. A cette fin, il existe donc une pluralité de conduits 3, disposés en parallèle, et une seule et même enveloppe 7 commune, cylindrique par exemple, ménageant avec les conduits 3, une seule et même enceinte 8 de passage du fluide frigorigène. En haut et en bas du dispositif, se situent respectivement un distributeur 29 du fluide 2 dans les différents conduits 3, et un collecteur 30 du fluide 2 refroidi évacué des différents conduits 3, ce distributeur et ce collecteur étant séparés et étanches par rapport à l'enceinte 8 de passage du fluide frigorigène.
  • Par ailleurs, un seul et même moteur 17 est couplé par un moyen de transmission 31 aux différents rotors 12 des différents conduits 3 de circulation.
  • Le mode d'exécution représenté à la figure 7 comporte une batterie de conduits 3, comme précédemment décrit par référence aux figures 4 à 6. Mais dans ce cas, et comme déjà décrit par référence à la figure 2, le moteur 17 a été supprimé au profit de moyens moteur 23 intégrés dans les rotors 12, et agissant sous le seul effet de la circulation du fluide 2. A cette fin, le distributeur 29 du fluide à refroidir communique uniquement avec les différentes entrées 21 axiales des rotors creux 12 des différents conduits 3 de circulation respectivement.
  • Le dispositif d'échange représenté selon figure 8 diffère de ceux décrits précédemment, par les caractéristiques techniques suivantes :
    • 1) Une pluralité de capacités 41 de passage du fluide frigorigène sont disposées en parallèle, coaxialement à l'axe du rotor 12 et de manière étagée dans le conduit 3 de circulation du fluide à refroidir ; chaque capacité 41 comprend deux cloisons 42 et 43 d'extension radiale, formant chacune un élément de la paroi 6 d'échange thermique entre le fluide à refroidir et le fluide frigorigène ; en pratique, et comme représenté à la figure 8, chaque capacité 41 consiste en un élément circulaire, creux et aplati, évidé en son centre, ayant généralement la forme d'un disque, et dont les deux faces planes 42 et 43 constituent respectivement les deux cloisons d'échange thermique précitées.
    • 2) Un distributeur 44 du fluide frigorigène, en relation avec l'entrée 9 pour ledit fluide, et un collecteur 45 du même fluide, en relation avec la sortie 10 pour ce dernier, sont disposés à l'extérieur du conduit 3 de circulation, et communiquent avec la pluralité des capacités 41 de passage identifiées précédemment.
    • 3) Une pluralité de bras 46 et 47, chacun d'extension radiale, sont solidaires du rotor 12, et disposés chacun entre deux capacités 41 de passage du fluide frigorigène, ou entre une dite capacité et une extrémité du conduit 3 de circulation.
    • 4) Une pluralité d'organes filamentaires 15, tels que définis précédemment, sont montés sur la pluralité des bras 46 et 47, en étant orientés chacun radialement ; en conséquence, les différents filaments souples 14 des organes 15 sont dirigés individuellement selon une direction axiale, avec leurs extrémités libres adjacentes à la face chaude 6a des différentes cloisons radiales 42 et 43 d'échange thermique, identifiées précédemment.
  • S'agissant des organes filamentaires 15, ceux-ci sont superposés par paires, en étant éventuellement décalés angulairement d'une paire à l'autre, comme représenté plus particulièrement aux figures 10 à 14.
  • S'agissant des deux organes filamentaires 15 appartenant à une même paire, ceux-ci sont disposés dans un même plan diamétral. Et, entre deux capacités 41, un même bras 46 ou 47 d'extension radiale porte deux organes filamentaires 15 opposés l'un par rapport à l'autre, en relation avec les deux faces chaudes 6a de deux cloisons 42 et 43 d'échange thermique, appartenant respectivement aux deux capacités 41 précitées, c'est-à-dire en vis-à-vis.
  • Toujours selon la figure 8, le fluide à refroidir 2 est introduit dans le dispositif d'échange, grâce aux dispositions suivantes :
    • le rotor 12 est creux, avec des passages 48 vers l'intérieur du conduit 3, ménagés au travers de sa paroi, et étagés entre les différentes capacités 41 de passage du fluide frigorigène, ceci pour permettre la circulation du fluide à refroidir, d'une extrémité ouverte 49 à une extrémité fermée 50 du rotor 12 ;
    • et une boîte 51 d'introduction du fluide à refroidir est seulement en relation avec l'extrémité ouverte 49 du rotor creux 12, et l'entrée 4 pour le fluide à refroidir 2.
  • Par ailleurs, l'évacuation du fluide refroidi est obtenue par les dispositions suivantes :
    • une pluralité d'orifices 52 sont ménagés dans la paroi 3, en étant étagés respectivement en relation avec les différents interstices entre les capacités 41 de passage du fluide frigorigène ;
    • et un carter 53 d'évacuation du fluide refroidi est en relation, d'une part avec tous les orifices 52 du conduit 3, et d'autre part avec la sortie 5 du fluide refroidi.
  • Le mode d'exécution selon figure 9 diffère de celui décrit selon figure 8, essentiellement par la présence d'aubes 54 d'entraînement du rotor 12, sous l'effet moteur du fluide 2 à refroidir en circulation, distribuées radialement dans la boîte 51 d'introduction dudit fluide.
  • Pour terminer, le dernier mode d'exécution de l'invention, selon figures 10 à 14 diffère de ceux décrits par référence aux figures 8 et 9, par les différentes caractéristiques suivantes.
  • Tout d'abord, des moyens auto-moteur d'entraînement du rotor 12 sont obtenus par la combinaison des dispositions suivantes :
    • la disposition sur le conduit 3 d'un tube fixe 55, coaxial au rotor creux 12, comportant une extrémité 56 ouverte pour l'entrée 4 du fluide à refroidir, des passages 55a et 55b (cf figures 12 à 14) d'évacuation du fluide à refroidir vers le rotor 12, et une autre extrémité fermée 57 ; par construction, le rotor 12 est susceptible de tourner de manière relativement étanche par rapport au tube fixe 55 ;
    • les différents bras 46 et 47 radiaux creux, communiquent avec l'intérieur du rotor 12 et les passages précités 55a et 55b d'évacuation du tube fixe 55, et comportent à leur extrémité libre un moyen 58, tel qu'une buse d'éjection du fluide à refroidir dans le conduit 3. Ensuite, les bras 46 et 47 radiaux, sont alignés diamétralement par paires disposées de manière étagée selon l'axe du conduit 3 (cf les paires A, B, C représentées aux figures 11 à 14). Pour les deux bras 46 et 47 d'une même paire, par exemple A, les moyens 58 d'éjection sont opposés, de manière à permettre une rotation du rotor 12, sous l'effet des jets éjectés par les moyens 58 d'une même paire de bras.
  • Finalement, comme mieux représenté aux figures 12 à 14, les paires de bras radiaux 46 et 47, par exemple A à C, sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres, selon un angle prédéterminé, par exemple 60°, et ceci selon le même sens de rotation, horaire ou anti-horaire. En correspondance, le tube fixe 55 présente deux perforations 55a et 55b, allongées axialement, et opposées. La dimension angulaire de chaque perforation 55a ou 55b est identique à l'angle prédéterminé de décalage d'une paire à l'autre, par exemple 60°. Une telle disposition permet de ne pas éjecter le fluide à refroidir par tous les bras radiaux 46 et 47 du rotor 12, mais successivement par groupes de paires A, B et C respectivement. Autrement dit, les paires A, B et C éjectent successivement à leur tour le fluide à refroidir ; et pendant l'éjection dudit fluide par une paire B par exemple, les paires C et A sont inactives.

Claims (12)

  1. Dispositif d'échange de chaleur entre, d'une part un fluide frigorigène (1), par exemple en cours de vaporisation, et d'autre part un fluide à refroidir (2), en cours de congélation partielle, ledit dispositif comprenant :
    - au moins un conduit (3) de circulation sous pression du fluide (2) à refroidir, d'une entrée (4, 22) à une sortie (5) opposée pour ledit fluide , comprenant une paroi (6) d'échange thermique, dont l'une des faces, dite chaude (6a), est au contact du fluide (2) à refroidir ;
    - un moyen (8) de passage du fluide frigorigène, au contact de l'autre face, dite froide (6b), de la paroi (6) d'échange thermique,
    - un moyen mécanique (11) antagoniste du dépôt sur la face chaude (6a) de la paroi (6) d'échange thermique, de toute couche solide du fluide à refroidir, comportant un rotor (12) monté au sein du conduit (3), des éléments antagonistes dudit dépôt, chacun au contact ou au voisinage de la face chaude (6a) de la paroi (6) d'échange thermique, distribués selon l'axe et autour du rotor (12), ainsi qu'un moyen (40) d'entraînement de ce dernier
    caractérisé en ce que lesdits éléments antagonistes (13) comprennent une multiplicité de filaments (14) souples, dont une extrémité est solidaire du rotor (12), dont l'autre extrémité libre est adjacente à la face chaude (6a) de la paroi (6) d'échange thermique, et agencés en relation avec la rotation du rotor, essentiellement pour agiter en phase liquide la couche limite du courant du fluide (2) à refroidir, au contact de la face chaude (6a) de la paroi (6) d'échange thermique
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de circulation (3) constitue la paroi (6) d'échange thermique, une enveloppe (7) ménage avec et autour du conduit (3) une enceinte (8) de passage du fluide frigorigène, notamment à contre-courant du fluide à refroidir, et les filaments (14) souples présentent individuellement au moins une extension radiale.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filaments (14) sont séparés les uns des autres, en formant une pluralité d'organes filamentaires (15).
  4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, d'une extrémité à l'autre du conduit (3) de circulation, les organes filamentaires (15) sont superposés par groupes de deux, en étant décalés angulairement par rapport à l'axe du rotor, d'un groupe à l'autre.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pour chaque groupe, les deux organes filamentaires (15) sont disposés dans un même plan diamétral.
  6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un groupe d'organes filamentaires (15) est décalé angulairement de 90° ou 60°, par rapport au suivant.
  7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les filaments (14) constituent ensemble une hélice (16), continue ou discontinue, autour de l'axe du rotor (12).
  8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (18) d'entraînement du rotor (12), agissant sous l'effet moteur du fluide (2) à refroidir passant dans le conduit de circulation (3).
  9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de conduits (3) de circulation du fluide à refroidir, disposés en parallèle, et une enveloppe (7) commune ménageant avec lesdits conduits une seule et même enceinte (8) de passage du fluide frigorigène, un distributeur (29) du fluide à refroidir dans les différents conduits (3) de circulation, et un collecteur (30) du fluide refroidi évacué des différents conduits de circulation.
  10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, premièrement une pluralité de capacités (41) de passage du fluide frigorigène sont disposées en parallèle, coaxialement à l'axe du rotor (12) et de manière étagée dans le conduit (3) de circulation du fluide à refroidir, chaque capacité comprenant au moins une cloison (42,43) d'extension radiale, formant un élément de la paroi (6) d'échange thermique, deuxièmement, un distributeur (44) du fluide frigorigène, en relation avec l'entrée (9) pour ledit fluide, et un collecteur (45) dudit fluide frigorigène, en relation avec la sortie (10) pour ledit fluide, disposés notamment à l'extérieur du conduit (3) de circulation, communiquent avec la pluralité des capacités (41) de passage du fluide frigorigène, et troisièmement les filaments souples (14) présentent individuellement au moins une extension axiale, avec leur extrémité libre adjacente à la face chaude (6a) d'une cloison radiale d'une capacité (41).
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque capacité (41) de passage du fluide frigorigène consiste en un élément circulaire, creux et aplati, évidé en son centre, ayant généralement la forme d'un disque, dont les deux faces planes (42,43) constituent respectivement deux cloisons d'échange thermique.
  12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'introduction du fluide à refroidir, comprenant les dispositions suivantes :
    - un rotor creux (12), avec des passages (48) vers l'intérieur du conduit (3), ménagés au travers de sa paroi, et étagés entre les capacités (41) de passage du fluide frigorigène, pour la circulation du fluide à refroidir, d'une extrémité ouverte (49) à une extrémité fermée (50) dudit rotor ;
    - une boite (51) d'introduction du fluide à refroidir, en relation avec l'extrémité ouverte (49) du rotor creux (12).
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