EP2929274A1 - Echangeur thermique a generateurs d'ultrasons - Google Patents

Echangeur thermique a generateurs d'ultrasons

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Publication number
EP2929274A1
EP2929274A1 EP13801537.5A EP13801537A EP2929274A1 EP 2929274 A1 EP2929274 A1 EP 2929274A1 EP 13801537 A EP13801537 A EP 13801537A EP 2929274 A1 EP2929274 A1 EP 2929274A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
distributor
heat exchanger
flow
channels
generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13801537.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéphane Colasson
André Bontemps
Sébastien FERROUILLAT
Florian TINGAUD
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.)
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Joseph Fourier Grenoble 1, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Universite Joseph Fourier Grenoble 1
Publication of EP2929274A1 publication Critical patent/EP2929274A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/10—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by imparting a pulsating motion to the flow, e.g. by sonic vibration

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger comprising a plurality of fluid flow channels and a distributor fed by a flow of a two-phase fluid having two phases including a liquid phase and distributing said flow in the plurality of channels, each channel having an input opening into the dispenser.
  • the invention also relates to a thermodynamic installation comprising at least one such heat exchanger and a method of operation of such a heat exchanger.
  • Heat exchangers or heat exchangers are important components involved in many applications (petrochemicals, transport, cold, energy ). To improve the compactness and efficiency of a heat exchanger, it is known to provide a distributor ensuring a distribution of the fluid flow in several fluid flow channels where the heat exchange occurs as such.
  • Figure 1 shows the example of a plate heat exchanger. It can be seen that the fluid flow is shared between the channels 1 1 constituted by the inter-plate space. These channels 1 1 are fed by the distributor 12. In other words, each channel 1 1 has an inlet opening in the distributor 12 and an inlet fluidic flow F of the exchanger is distributed in the plurality of channels January 1.
  • the design and dimensioning of the heat exchanger is based on the calculation of an exchange surface adapted to a specific operating condition or a nominal point of the performance of the heat exchanger. As long as the operating conditions remain close to the nominal conditions, the heat exchanger is capable of transferring thermal energy under optimal conditions. However it is very common that the installation or the process, where the heat exchanger intervenes, has significant operating variations according to several parameters such as flow rate, temperature or pressure. The heat exchanger can operate in this case in a range away from the nominal conditions and may have degraded performance.
  • Lalot et al. (1999) "Flow maldistribution in heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 19, 847-863" indicates that the poor fluid distribution at the inlet of a cross-flow heat exchanger could deteriorate its thermal efficiency by 25%.
  • One of the parameters that can strongly affect the nominal conditions of the heat exchanger is the distribution of the fluid at its inlet, and in particular when one of the fluids flowing in the heat exchanger is a two-phase fluid F with two phases jointly in the presence , such as a diphasic mixture between a liquid phase denoted "PL" and a vapor phase denoted "PV".
  • control of the two-phase distribution is looked at essentially via the control of the geometry and there is no way to modify this control of the distribution according to the operating conditions and the input conditions. Examples of such solutions are listed below.
  • US201 10290465 discloses a tube system pierced with multiple holes so as to form a dispensing clarinet within the inlet housing of the exchanger.
  • the distribution box is divided into several zones: a first box in the manifold receives the fluid which is distributed through different holes before entering the actual distributor where open the different channels of the exchanger thermal.
  • the document US2005047360 is based on extending the tubes constituting the channels to the inside of the dispenser in order to form elements disturbing the main flow in the dispenser.
  • the fluid passage section in the dispenser varies at each insertion of a tube.
  • the object of the present invention is to provide a heat exchanger that overcomes the disadvantages listed above.
  • an object of the invention is to provide such a heat exchanger which is simple and adaptable to the operating conditions in order to improve its efficiency by decreasing its sensitivity to variations in operating conditions.
  • a heat exchanger comprising a plurality of fluid flow channels and a distributor fed by a flow of a two-phase fluid having two phases including a liquid phase and distributing said flow in the plurality of channels, each channel having an inlet opening into the distributor, the heat exchanger comprising at least one main ultrasound generator associated with at least one of said channels and configured to generate a deformation of a free surface of said liquid phase extending near the inlet of the associated channel.
  • the invention proposed here is based on the use of an active method of controlling the two-phase flow distribution based on the use of one or more ultrasound generators placed appropriately, particularly in the distributor of the heat exchanger considered.
  • FIG. 1 schematically illustrates an exemplary plate heat exchanger
  • FIG. 2 illustrates the principle of the distribution of a liquid / vapor mixture in a distributor of a horizontal heat exchanger with ascending vertical channels
  • FIGS. 3 to 5 show an example of heat exchanger according to the invention
  • FIG. 6 illustrates an example of a heat exchanger distributor equipped with ultrasound generators
  • FIG. 7 represents the evolution of the relative height of the ultrasonic fountain as a function of the height of the liquid above the ultrasound generator, for two different fluids (water for the square-shaped points or 30% brine for diamond shape points),
  • FIG. 8 represents the arrangement of a cavity in which an ultrasound generator is implanted
  • FIGS. 9 and 10 each represent a comparison of the liquid distribution with and without the application of ultrasound, respectively in the case of a water flow rate of 100 kg / h and a forced air flow rate of 30 kg / h and in the case of a water flow of 375 kg / h and a forced air flow of 30 kg / h,
  • FIGS. 11 and 12 represent two examples of a cavity in which an ultrasonic generator is implanted
  • FIG. 13 represents the principle of forming a stream of ultrasonic fountains in dynamics under the effect of a flow of the liquid phase.
  • the invention which will be described hereinafter with reference to FIGS. 3 to 13, relates to a heat exchanger 10 comprising a plurality of fluid flow channels 1 1 and a distributor 12 intended to be fed by a fluid flow F diphasic having two phases including a liquid phase PL.
  • the distributor 12 serves to distribute the flow in the plurality of channels 1 January.
  • each channel January 1 has an inlet which opens into the conduit of the distributor 12.
  • the fluid F which feeds the distributor comprises another phase simultaneously in the presence of the liquid phase, that is to say a vapor phase as shown or a gaseous phase generally.
  • the gas phase can be formed by the same constituent as that of the liquid phase and, in this particular case, the gas phase can be called vapor phase.
  • the invention also relates to a thermodynamic installation which comprises at least one such heat exchanger 10, so as to constitute a heat pump, a refrigerating machine, an air conditioning system, or a Rankine machine.
  • a thermodynamic installation which comprises at least one such heat exchanger 10, so as to constitute a heat pump, a refrigerating machine, an air conditioning system, or a Rankine machine.
  • the exchanger or the installation comprises means supplying the distributor, as soon as it enters, by the two-phase fluid F (which notably comprises a liquid phase and a gaseous phase) and then ensuring the flow of the two-phase fluid in the distributor.
  • the distributor is supplied with two-phase fluid flow by a source external to the heat exchanger.
  • the heat exchanger 10 comprises at least one main ultrasound generator 13 (FIGS. 3 and 4) associated with at least one of the channels 1 1 which is associated with it.
  • the ultrasound generator 13 is configured to emit an ultrasonic beam marked in the direction of the channel 1 1 in the liquid phase PL.
  • the ultrasonic generator 13 may be carried by any constituent part of the heat exchanger 10, preferably by the distributor 12 as will be detailed below.
  • Near it is considered that the distance separating the main generator 1 3 and the input of the associated channel is smaller than the magnitude of the deformation 14 resulting from said main generator 13.
  • the distance X separating the center of the main generator (1 3) and the center of the associated channel 1 1 input checks the following equation:
  • D c is the diameter of the distributor
  • d is the distance separating two successive channels along the distributor.
  • said at least one main ultrasound generator 1 3 associated with at least one of the channels 1 1 is arranged at the level of the connection between the distributor 1 2 and said at least one channel January 1.
  • the heat exchanger will be configured so that the deformation 14 extends towards the input of the channel (1 1) associated.
  • the beam 1 5 is emitted in a direction such that the deformation 14 that results is generally orthogonal to the direction of the channel 1 January.
  • the two-phase distribution can be greatly improved, particularly that of the liquid phase, thanks to the mixing two separate phases resulting from the effect of the beam at Ultrasound 15.
  • deformation 14 is created which is also known as the "ultrasonic fountain" for spraying processes (FIGS. 4 and 13).
  • the ultrasound generator 13 is advantageously placed under a certain liquid height of the liquid phase PL.
  • the deformation 14 produced at the place where the ultrasound beam 15 encounters the liquid phase PL constitutes a jet of liquid.
  • a continuous two-phase flow occurs in the channels 1 1.
  • Tests have shown that the application of the principles mentioned above is of interest only in the particular case targeted by the invention, namely the case of a distributor 12 fed by a flow F of a two-phase fluid having two phases including a PL liquid phase. Indeed, its application to a fluid flow containing only a liquid phase provides no remarkable improvement in the fluid distribution among the channels 1 January.
  • V is the flow velocity of the liquid phase PL in the distributor 12
  • d is the distance separating the inputs of two channels 1 1 successive
  • ⁇ is the wavelength between two successive deformations 14 of the free surface of the liquid phase PL.
  • the time frequency is for example 50 Hz. It can also be adapted to a higher value or a lower value as a function of the flow velocity V.
  • a threshold value can be estimated on the basis of the mass flow m and the nature of the fluid used, via the density of the vapor phase p v according to the following equation:
  • the frequency of the ultrasonic waves generated by the main generator 13 is greater than 1 MHz, in particular to avoid any cavitation phenomenon of the fluid F. It is also a guarantee of efficiency since the energy consumption is then minimized.
  • the creation of the successive deformations 14 constituting the ultrasonic fountains allows a destructuring of the fluid flow. stratified between the liquid PL and gaseous phases or PV vapor, allowing a mixing of the flow and a better distribution between the channels 1 1 of the heat exchanger 10.
  • the heat exchanger 10 may comprise a plurality of main ultrasonic generators 13, advantageously as much as channels 1 1 of fluid flow supplied by the distributor 12.
  • a main ultrasound generator 13 is arranged and configured so as to generate a deformation 14 of the free surface of the liquid phase PL extending towards the input of the associated channel 1 1. It remains conceivable, however, to provide a smaller number of main ultrasound generators 13 than channels 11, placing them for example at the level of the only channels 1 1 where the two-phase distribution must be improved or well at locations between two adjacent channel inlets or by sizing the width of the main ultrasonic generator so that it is greater than the channel pitch.
  • a given main ultrasound generator is associated with several channels 1 1.
  • this main generator common to at least two adjacent channels 1 1 may be large enough to be arranged vis-à-vis several inputs of channels 1 January.
  • a given main ultrasound generator is disposed between two channel inputs January 1. This particular case may in particular be considered if the distances between the channels 1 1 are small.
  • the inputs of the channels 1 1 are frequently staggered, in particular at regular intervals, in a first direction V1 along the distributor 1 2.
  • the first direction V1 corresponds to the direction of flow of the fluid flow two-phase inside the distributor 12 and may for example be oriented substantially horizontally.
  • the main ultrasound generators 13 are then staggered in the first direction V1 thus defined, in a manner that each main ultrasound generator 13 is opposite an input of an associated channel 11, each channel input 1 1 having or not an ultrasonic generator 13 vis-à-vis.
  • each main ultrasound generator 13 is implanted in a wall of the dispenser 12. It is in particular a wall of the dispenser 12 arranged opposite the inlet of the channel 1 1 which is associated with it following a second direction V2.
  • the second direction V2 is for example perpendicular to the first direction V1 and therefore to the flow direction of the two-phase fluid flow inside the distributor 12 so that it can in particular be oriented substantially vertically.
  • the ultrasonic waves of the beam 15 generated by the main ultrasound generator 13 are substantially directed towards the input of the associated channel 11. By “substantially directed” it is appropriate to understand “exactly directed” or “approximately directed to +/- 10 degrees".
  • the direction of propagation of the ultrasonic waves of the beam 15 generated by the main ultrasound generator 13 is exactly oriented in the direction from the main ultrasound generator 13 to the input of the associated channel 1 1, or the direction propagation of the ultrasonic waves of the beam 15 generated by the main ultrasound generator 13 forms an angle of approximately plus or minus 10 degrees with the direction from the main ultrasound generator 13 to the input of the channel 1 January.
  • the distributor 12 will be disposed below the channels 1 1 of fluid flow it feeds upwards.
  • the wall in which each main ultrasound generator 13 is implanted is constituted by the bottom wall of the distributor 12 viewed in the vertical direction, corresponding to the second direction V2 in this example.
  • the inputs of the channels 1 1 open in turn in the distributor 12 at an upper wall of the distributor 12 shifted in the second direction V2 relative to the bottom wall of the distributor 12.
  • the direction in which the ultrasonic waves generated by each main ultrasound generator 13 are directed forms an angle of between 0 and 10 degrees relative to a direction. perpendicular to the flow direction of the flow F of two-phase fluid in the distributor 12, in particular between 0 and 7 degrees, being inclined in a direction opposite to the direction of flow of the flow F of two-phase fluid in the distributor 12.
  • This tilting makes it possible to generate a deformation 14 of a free surface of the liquid phase PL extending toward the inlet of the associated channel 11.
  • the ultrasound beam 15 is not oriented in the direction V2 perpendicular to the direction V1, but on the contrary forms an angle with the direction V1 advantageously in a range between 83 and 90 degrees.
  • the emitting surface of the main ultrasound generator 13 is inclined at an angle ⁇ with respect to the direction of flow of the fluid in the distributor 12, so with respect to D1, between 0 and 10 degrees, in particular between 0 and 7 degrees.
  • This is illustrated in Figures 8, 11, 12 by exaggerating the value of the angle a, which is not to scale in the figure.
  • the heat exchanger 10 may comprise at least one auxiliary ultrasound generator 16.
  • This generator 16 is said to be “auxiliary” to differentiate it from the so-called “main” generators previously described, since it is not not associated with a given channel 1 1 and is not intended to create an ultrasonic fountain in the direction of an inlet of a channel 1 1 of the exchanger 10.
  • the auxiliary ultrasound generator 16 is integral with the distributor 12 at a location upstream of all the channels 1 1 of fluid flow seen in the direction of flow of the flow of two-phase fluid F in the distributor 12.
  • the ultrasound generators will act in two possible ways: by the creation of a deformation which re-energizes the channels 1 1 vis-a-vis, through the main generators 13, by the nebulization and the deconstruction of the two-phase flow along the distributor 12, via said at least one auxiliary generator 16.
  • At least one auxiliary ultrasound generator in a single and isolated manner, that is to say without the main ultrasound generators 13 being used. It is even possible to provide that the heat exchanger is equipped with at least one auxiliary ultrasonic generator as defined above, without said heat exchanger is equipped with any said main ultrasound generator.
  • each main ultrasound generator 13, 16 is advantageously implanted in a cavity 18 formed in the dispenser 12.
  • the cavity 18 has a depth (H1 + H2) such that the height HT of the liquid phase PL of the fluid separating the ultrasonic generator 13 and the free surface of the liquid phase PL is included in a range between 1 and 5 cm, in particular between 2 and 4 cm.
  • Such a height of liquid above the generator 13 has the effect of maximizing as much as possible the height of the deformation 14 of the free surface, especially so that its height is at least greater than or equal to the height of the distributor 12 counted next a direction perpendicular to V1 and thus to the flow direction of the flow F of two-phase fluid in the distributor 12, ie in the direction V2.
  • These arrangements may or may not be identical for the auxiliary generator 16.
  • Figure 7 shows the evolution of the relative height of the ultrasonic fountain as a function of the height of the liquid above the ultrasound generator, for two different fluids, namely water for the points of square shape or water with 30% glycol for diamond shaped points.
  • This graph shows a zone Z between the abscissa 1 and 6 cm at which the relative height of the ultrasonic fountain is maximum, compared to other abscissae. It is therefore necessary to seek to belong to the zone Z to maximize the effect of ultrasonic generators 13, 16.
  • the arrangements described above require a specific design of the distributor 12, as shown in Figure 6: to ensure a minimum liquid level above the generator 13, a series of cavities 18 are prepared in the lower wall of the distributor 12, at locations arranged vis-à-vis the channels 1 1 of the exchanger 10 in the direction V2.
  • the cavity 18 has a frustoconical portion over all or part of its depth, arranged so as to open in the direction of the channel 1 1 associated with the ultrasonic generator 13 implanted in the cavity 18.
  • the cavity comprises a cylindrical section on a height H1 from the ultrasound generator 13, for example about 2 cm, extending by a frustoconical section on a height H2 in the direction of the inner duct defined by the distributor 12, for example of the order of 1 cm.
  • the total height of the cavity 18 is therefore the sum of the heights H1 and H2 in this particular example.
  • the diameter D1 of the cavity 18 at the cylindrical section is of the order of 18 mm.
  • the diameter of the cavity 18 at its mouth in the inner duct defined by the distributor 12 is noted D2, and is greater than D1 due to the opening angle ⁇ of the frustoconical section.
  • FIG. 9 represents the comparison of the liquid distribution with and without ultrasound application in the case of a water flow rate of 100 kg / h and a forced air flow rate of 30 kg / h.
  • the abscissa corresponds to the number of the channel 1 1 counted according to the direction of fluid flow in the distributor 12.
  • the ordinate corresponds to the proportion of liquid denoted R in each channel 1 1.
  • FIG. 9 shows a clear improvement and a radical change in the distribution of the liquid in an exchanger composed of 10 channels under the effect of ultrasound, on the first eight channels 11 where the curve with the diamonds is clearly above the curve with the squares.
  • Figure 10 is an identical graph but in the case of a water flow rate of 375 kg / h and a forced air flow of 30 kg / h. It shows a more modest modification of the distribution of the liquid between the channels 1 1. However, the improvement remains significant from a total point of view, since the STD factor for the liquid, which marks the deviation (standard deviation to the mean homogeneous) remains well below the value without ultrasound (negative deviation). This STD coefficient (for "Standard Deviation" in English terminology) corresponding to the standard deviation of the distribution is defensible:
  • N is equal to the number of channels and Ri is the average of the ratios. This coefficient is therefore equal to 1 for a homogeneous distribution. Nevertheless, there is an overall improvement that is more sensitive to the low liquid flow rates at the inlet of the exchanger.
  • the heat exchanger 10 will be (according to the thermodynamic installation implementing it) of the plate or tube type, in particular extruded mini-channel made of aluminum, in which a plurality of plates or tubes delimit in pairs the channels 1 1 of fluid flow mentioned above.

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Abstract

Un échangeur thermique (10) comprend une pluralité de canaux (11) d'écoulement fluidique et un distributeur (12) alimenté par un flux (F) d'un fluide diphasique ayant deux phases (PL, PV) dont une phase liquide (PL) et répartissant ledit flux (F) dans la pluralité de canaux (11). Chaque canal (11) possède une entrée débouchant dans le distributeur (12). L'échangeur thermique (10) comprend au moins un générateur principal d'ultrasons (13) associé à au moins l'un desdits canaux (11) et configuré de sorte à générer une déformation (14) d'une surface libre de ladite phase liquide (PL) s'étendant à proximité de l'entrée du canal (11) associé, notamment en direction de l'entrée du canal (11) associé.

Description

Echangeur thermique à générateurs d'ultrasons
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un échangeur thermique comprenant une pluralité de canaux d'écoulement fluidique et un distributeur alimenté par un flux d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide et répartissant ledit flux dans la pluralité de canaux, chaque canal ayant une entrée débouchant dans le distributeur.
L'invention a pour objet aussi une installation thermodynamique comprenant au moins un tel échangeur thermique ainsi qu'un procédé de fonctionnement d'un tel échangeur thermique.
État de la technique
Les échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques sont des composants importants intervenant dans de nombreuses applications (pétrochimie, transport, froid, énergie...). Pour améliorer la compacité et l'efficacité d'un échangeur de chaleur, il est connu de prévoir un distributeur assurant une répartition de l'écoulement fluidique dans plusieurs canaux d'écoulement fluidique où se produit l'échange thermique en tant que tel.
La figure 1 montre l'exemple d'un échangeur thermique 10 à plaques. On voit que l'écoulement du fluide se partage entre les canaux 1 1 constitués par l'espace inter-plaques. Ces canaux 1 1 sont alimentés par le distributeur 12. Autrement dit, chaque canal 1 1 a une entrée débouchant dans le distributeur 12 et un flux fluidique F d'entrée de l'échangeur se répartit dans la pluralité de canaux 1 1 .
La conception et le dimensionnement de l'échangeur thermique sont basés sur le calcul d'une surface d'échange adaptée à une condition spécifique de fonctionnement ou un point nominal de la performance de l'échangeur thermique. Tant que les conditions de fonctionnement restent proches des conditions nominales, l'échangeur thermique est capable de transférer l'énergie thermique dans des conditions optimales. Cependant il est très fréquent que l'installation ou le procédé, où l'échangeur thermique intervient, ait des variations de fonctionnement importantes selon plusieurs paramètres tels que le débit, la température ou la pression. L'échangeur thermique peut fonctionner dans ce cas dans un domaine éloigné des conditions nominales et peut présenter des performances dégradées.
Ainsi, le document Lalot et al. (1999) « Flow maldistribution in heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 19, 847-863 » indique que la mauvaise distribution du fluide en entrée d'un échangeur thermique à courants croisés pouvait détériorer son efficacité thermique de 25%. L'un des paramètres pouvant fortement affecter les conditions nominales de l'échangeur thermique est la distribution du fluide à son entrée, et notamment lorsque l'un des fluides circulant dans l'échangeur thermique est un fluide diphasique F avec deux phases conjointement en présence, tel qu'un mélange diphasique entre une phase liquide notée « PL » et une phase vapeur notée « PV ».
Dans la majorité des cas rencontrés, la distribution du fluide diphasique entre les canaux/tubes d'un échangeur thermique est mauvaise. Les raisons sont la grande différence de propriétés physiques entre la phase liquide et la phase gazeuse ou vapeur (masse volumique, viscosité) et l'influence de la configuration d'écoulement à l'entrée du distributeur 12, c'est-à-dire la manière dont les deux phases différentes se répartissent entre elles et leur vitesse respective. Tous ces facteurs participent à rendre l'écoulement fluidique non homogène et donc à rendre la distribution du fluide inhomogène en termes de débit et de phases entre les canaux de l'échangeur thermique. C'est ce que représente la figure 2 dans le cas d'un distributeur horizontal et alimentant de manière ascendante des canaux verticaux : la phase vapeur est prépondérante au début du distributeur tandis que la phase liquide devient de plus en plus prépondérante au fur et à mesure de l'écoulement le long de ce distributeur 12 (de la gauche vers la droite sur la figure 2).
Il apparaît donc un besoin de contrôler efficacement la distribution diphasique afin d'améliorer les performances des échangeurs thermiques dans les applications utilisant un fluide diphasique avec au moins une phase liquide.
Il existe des solutions tentant de répondre à ces problématiques mais ces solutions sont passives et statiques. En effet, il est impossible de les adapter aux conditions instantanées réelles lorsque les conditions de fonctionnement (débit, température, pression) évoluent dans le temps.
Elles sont donc peu adaptatives et manquent de souplesse et d'efficacité.
Le contrôle de la distribution diphasique est regardé essentiellement via le contrôle de la géométrie et il n'y a pas moyen de modifier ce contrôle de la distribution selon les conditions de fonctionnement et les conditions en entrée. Des exemples de telles solutions sont listés ci-dessous.
Le document US201 10290465 décrit un système de tube percé de multiples trous de sorte à former une clarinette de distribution à l'intérieur même du boîtier d'entrée de l'échangeur. Dans le document US201 10303401 , la boîte de distribution est découpée en plusieurs zones : une première boîte dans le collecteur reçoit le fluide qui se distribue à travers différents trous avant d'entrer dans le distributeur proprement dit où débouchent les différents canaux de l'échangeur thermique.
Le document US2005047360 repose sur le fait de prolonger les tubes constitutifs des canaux jusqu'à l'intérieur du distributeur afin de former des éléments perturbant l'écoulement principal dans le distributeur. La section de passage du fluide dans le distributeur varie au niveau de chaque insertion d'un tube.
L'ensemble de ces solutions repose sur deux effets souhaités, avec d'une part un brassage de la phase liquide avec la phase gazeuse ou vapeur et d'autre part la création de turbulences dans le distributeur. Par contre, comme indiqué précédemment, il s'agit d'équipements statiques qui ne peuvent pas s'adapter aux conditions de fonctionnement de l'échangeur thermique. Objet de l'invention
Le but de la présente invention est de proposer un échangeur thermique qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus. Notamment, un objet de l'invention est de fournir un tel échangeur thermique qui soit simple et adaptable aux conditions de fonctionnement afin d'améliorer son efficacité en diminuant sa sensibilité aux variations de conditions de fonctionnement. Cet objet peut être atteint par tout ou partie des revendications annexées, en particulier par un échangeur thermique comprenant une pluralité de canaux d'écoulement fluidique et un distributeur alimenté par un flux d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide et répartissant ledit flux dans la pluralité de canaux, chaque canal ayant une entrée débouchant dans le distributeur, l'échangeur thermique comprenant au moins un générateur principal d'ultrasons associé à au moins l'un desdits canaux et configuré de sorte à générer une déformation d'une surface libre de ladite phase liquide s'étendant à proximité de l'entrée du canal associé..
L'invention proposée ici repose sur l'utilisation d'une méthode active de contrôle de la distribution de l'écoulement diphasique basé sur l'utilisation d'un ou plusieurs générateurs d'ultrasons placé(s) de manière appropriée, notamment dans le distributeur de l'échangeur thermique considéré. Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement un exemple d'échangeur thermique à plaques,
- la figure 2 illustre le principe de la distribution d'un mélange liquide/vapeur dans un distributeur d'un échangeur thermique horizontal avec des canaux verticaux ascendants,
- les figures 3 à 5 représentent un exemple d'échangeur thermique selon l'invention,
- la figure 6 illustre un exemple de distributeur pour échangeur thermique muni de générateurs d'ultrasons, la figure 7 représente l'évolution de la hauteur relative de la fontaine à ultrasons en fonction de la hauteur de liquide au-dessus du générateur d'ultrasons, pour deux fluides différents (de l'eau pour les points de forme carrée ou de l'eau glycolée à 30% pour les points de forme en losange),
la figure 8 représente l'aménagement d'une cavité dans laquelle est implanté un générateur d'ultrasons,
les figures 9 et 10 représentent chacune la comparaison de la distribution liquide avec et sans application des ultrasons, respectivement dans le cas d'un débit d'eau de 100 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h et dans le cas d'un débit d'eau de 375 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h,
les figures 1 1 et 12 représentent deux exemples d'une cavité dans laquelle est implanté un générateur d'ultrasons,
et la figure 13 représente le principe de formation d'un train de fontaines à ultrasons en dynamique sous l'effet d'un écoulement de la phase liquide.
Description de modes préférentiels de l'invention
L'invention qui va être décrite ci-après en référence aux figures 3 à 13, concerne un échangeur thermique 10 comprenant une pluralité de canaux 1 1 d'écoulement fluidique et un distributeur 12 destiné à être alimenté par un flux F d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide PL. Le distributeur 12 sert à répartir le flux dans la pluralité de canaux 1 1 . A cet effet, chaque canal 1 1 possède une entrée qui débouche à l'intérieur du conduit du distributeur 12. Le fluide F qui alimente le distributeur comprend une autre phase simultanément en présence de la phase liquide, c'est-à-dire une phase vapeur telle que représentée ou une phase gazeuse de manière générale. Autrement dit, la phase gazeuse peut être formée par le même constituant que celui de la phase liquide et, dans ce cas particulier, la phase gazeuse peut être appelée phase vapeur.
Par simplicité, les références sont conservées pour des dénominations identiques par rapport à la description sommaire des figures 1 et 2.
L'invention concerne aussi une installation thermodynamique qui comprend au moins un tel échangeur thermique 10, de sorte à constituer une pompe à chaleur, une machine frigorifique, un système d'air conditionné, ou une machine de Rankine. Une telle installation thermodynamique ne sera pas décrite en détail ici.
L'échangeur ou l'installation comprend des moyens alimentant le distributeur, dès son entrée, par le fluide F diphasique (qui comprend notamment une phase liquide et une phase gazeuse) et assurant ensuite l'écoulement du fluide diphasique dans le distributeur. De préférence, le distributeur est alimenté en flux de fluide diphasique par une source extérieure à l'échangeur thermique. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'échangeur thermique 10 comprend au moins un générateur principal d'ultrasons 13 (figures 3 et 4) associé à au moins l'un des canaux 1 1 qui lui est associé. Le générateur d'ultrasons 13 est configuré de sorte à émettre un faisceau à ultrasons repéré 15 en direction du canal 1 1 , dans la phase liquide PL. Ceci a pour effet très avantageux de pouvoir générer une déformation 14 d'une surface libre de la phase liquide PL, cette déformation s'étendant à proximité de l'entrée du canal 1 1 associé selon une direction quelconque. Le générateur d'ultrasons 13 peut être porté par toute pièce constitutive de l'échangeur thermique 10, avantageusement par le distributeur 12 comme il le sera détaillé plus loin. Par « à proximité », il est considéré que la distance séparant le générateur principal 1 3 et l'entrée du canal associé est inférieure à la grandeur de la déformation 14 résultant dudit générateur principal 13. De préférence, la distance X séparant le centre du générateur principal (1 3) et le centre de l'entrée du canal 1 1 associé vérifie l'équation suivante :
où Dc est le diamètre du distributeur, d est la distance séparant deux canaux successifs le long du distributeur.
Dans un mode particulier de réalisation, ledit au moins un générateur principal d'ultrasons 1 3 associé à au moins l'un des canaux 1 1 est agencé au niveau de la liaison entre le distributeur 1 2 et ledit au moins un canal 1 1 .
Dans un mode particulier de réalisation, l'échangeur thermique sera configuré de sorte que la déformation 14 s'étend en direction de l'entrée du canal (1 1 ) associé. Toutefois, il est possible de prévoir que le faisceau 1 5 soit émis selon une direction telle que la déformation 14 qui en résulte soit globalement orthogonale à la direction du canal 1 1 .
Pour un écoulement stratifié notamment, comme cela est représenté sur les figures avec une ségrégation de la phase liquide PL et de la phase gazeuse ou vapeur PV par gravitation, la distribution diphasique peut être fortement améliorée, notamment celle de la phase liquide, grâce au brassage des deux phases séparées résultant de l'effet du faisceau à ultrasons 15. En effet, sous l'effet du générateur d'ultrasons 13, il se crée la déformation 14 qui est aussi connue sous le nom de « fontaine ultrasonore » pour des procédés de pulvérisation (Figure 4 et 13). Pour cela, le générateur d'ultrasons 13 est avantageusement placé sous une certaine hauteur de liquide de la phase liquide PL. La déformation 14 produite à l'endroit où le faisceau d'ultrasons 15 rencontre la phase liquide PL constitue un jet de liquide. Il convient donc de diriger ce faisceau d'ultrasons 15 sur la phase liquide PL de l'écoulement diphasique pour obliger le liquide, par l'intermédiaire de la déformation 14 avantageusement générée, à pénétrer dans le canal 1 1 désiré, i.e. associé au générateur d'ultrasons 13. La perte de pression dans le distributeur 12 est en sus avantageusement peu modifiée. Dans un tel écoulement fluidique diphasique et stratifié, la surface libre de la phase liquide correspond à la surface d'interface avec la phase gazeuse ou vapeur PV.
Il se produit avantageusement un écoulement diphasique continu dans les canaux 1 1 . Des essais ont montré que l'application des principes évoqués ci-dessus ne présente un intérêt que dans le cas particulier visé par l'invention, à savoir le cas d'un distributeur 12 alimenté par un flux F d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide PL. En effet, son application sur un écoulement fluidique contenant uniquement une phase liquide n'apporte aucune amélioration remarquable de la distribution fluidique parmi les canaux 1 1 .
Lorsque la surface libre de la phase liquide PL n'est pas statique, mais au contraire est mobile par rapport au générateur d'ultrasons 13 comme c'est le cas ici (le liquide défilant à une vitesse donnée à l'intérieur du distributeur 12 correspondant au rapport entre le flux F et la surface du conduit interne du distributeur 12), il apparaît en effet une répétition ou « train » de déformations 14, également appelées fontaines à ultrasons, comme représenté sur la figure 13. Cette structure créée au-dessus du générateur d'ultrasons 13, par l'application du faisceau à ultrasons 15, est entraînée par la vitesse V d'écoulement de la partie liquide PL et reste cohérente sur une longueur d'onde λ dépendant de la vitesse V du liquide et la fréquence f d'apparition des déformations 14. La fréquence d'apparition f est une caractéristique propre du générateur d'ultrasons 13, dépendant par exemple du traitement électronique et de la fréquence de l'alimentation électrique.
Pour un fonctionnement optimal de l'échangeur thermique 10 selon l'invention, il est intéressant d'adapter la fréquence d'apparition f de manière à ce que la déformation 14 puisse se réaliser dans l'espace entre deux canaux 1 1 successifs, c'est-à-dire que la longueur d'onde λ entre deux déformations 14 successives ne doit pas dépasser la distance d entre deux canaux 1 1 successifs. Il est donc particulièrement avantageux de faire en sorte que l'échangeur thermique 10 vérifie l'équation suivante : À =—≤d
f
Où f est la fréquence temporelle d'apparition des déformations 14 de la surface libre de la phase liquide, V est la vitesse d'écoulement de la phase liquide PL dans le distributeur 12, d est la distance séparant les entrées de deux canaux 1 1 successifs et λ est la longueur d'onde entre deux déformations 14 successives de la surface libre de la phase liquide PL.
La fréquence temporelle est par exemple de 50Hz. Elle peut aussi être adaptée en valeur supérieure ou en valeur inférieure en fonction de la vitesse d'écoulement V. Notamment, une valeur seuil peut être estimée sur la base du débit massique m et de la nature du fluide utilisé, via la masse volumique de la phase vapeur pv selon l'équation suivante :
m
De préférence, la fréquence des ondes ultrasoniques générées par le générateur principal 13 est supérieure à 1 MHz, afin notamment d'éviter tout phénomène de cavitation du fluide F. C'est également une garantie d'efficacité puisque la consommation d'énergie est alors minimisée.
En installant une pluralité de générateurs d'ultrasons 13 d'une manière régulière dans le distributeur 12, comme cela est représenté sur la figure 3 par exemple, la création des déformations 14 successives constitutives des fontaines à ultrasons permet une déstructuration de l'écoulement fluidique stratifié entre les phases liquide PL et gazeuse ou vapeur PV, permettant un brassage de l'écoulement et une meilleure distribution entre les canaux 1 1 de l'échangeur thermique 10.
C'est pourquoi, l'échangeur thermique 10 peut comprendre une pluralité de générateurs principaux d'ultrasons 13, avantageusement autant que de canaux 1 1 d'écoulement fluidique alimentés par le distributeur 12. Au niveau de la liaison entre le distributeur 12 et chaque canal 1 1 , un générateur principal d'ultrasons 13 est agencé et configuré de sorte à générer une déformation 14 de la surface libre de la phase liquide PL s'étendant en direction de l'entrée du canal 1 1 associé. Il reste toutefois envisageable de prévoir un nombre inférieur de générateurs principaux d'ultrasons 13 que de canaux 1 1 , en les plaçant par exemple au niveau des seuls canaux 1 1 où la distribution diphasique doit être améliorée ou bien à des emplacements situés entre deux entrées de canaux adjacents ou bien en dimensionnant la largeur du générateur à ultrasons principal de sorte à ce qu'elle soit supérieure au pas d'échelonnement des canaux.
Ainsi, il est possible de prévoir qu'un générateur d'ultrasons principal donné soit associé à plusieurs canaux 1 1 . Dans ce cas, ce générateur principal commun à au moins deux canaux 1 1 adjacents pourra être suffisamment large pour être disposé en vis-à-vis de plusieurs entrées des canaux 1 1 .
D'autre part, il est envisageable de prévoir qu'un générateur à ultrasons principal donné soit disposé entre deux entrées de canaux 1 1 . Ce cas de figure particulier peut notamment être envisagé si les distances entre les canaux 1 1 sont petites.
Comme représenté sur la figure 3, les entrées des canaux 1 1 sont fréquemment échelonnées, en particulier à intervalles réguliers, selon une première direction V1 le long du distributeur 1 2. La première direction V1 correspond à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur 12 et peut par exemple être orientée sensiblement horizontalement. Les générateurs principaux d'ultrasons 13 sont alors échelonnés suivant la première direction V1 ainsi définie, d'une manière que chaque générateur principal d'ultrasons 13 est en-vis-à-vis d'une entrée d'un canal 1 1 associé, chaque entrée de canal 1 1 ayant ou non un générateur d'ultrasons 13 en vis-à-vis.
Dans un mode particulier de réalisation, chaque générateur principal d'ultrasons 13 est implanté dans une paroi du distributeur 12. Il s'agit notamment d'une paroi du distributeur 12 disposée en regard de l'entrée du canal 1 1 qui lui est associé suivant une deuxième direction V2. La deuxième direction V2 est par exemple perpendiculaire à la première direction V1 et donc à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur 12 de sorte qu'elle peut notamment être orientée sensiblement verticalement. Les ondes ultrasonores du faisceau 15 générées par le générateur principal d'ultrasons 13 sont sensiblement dirigées vers l'entrée du canal 1 1 associé. Par « sensiblement dirigé » il convient de comprendre « exactement dirigé » ou « approximativement dirigé à +/- 10 degrés ». Autrement dit, soit la direction de propagation des ondes ultrasonores du faisceau 15 générées par le générateur principal d'ultrasons 13 est exactement orientée selon la direction allant du générateur principal d'ultrasons 13 vers l'entrée du canal 1 1 associé, soit la direction de propagation des ondes ultrasonores du faisceau 15 générées par le générateur principal d'ultrasons 13 forme un angle approximativement de plus ou moins 10 degrés avec la direction allant du générateur principal d'ultrasons 13 vers l'entrée du canal 1 1 .
Pour un fonctionnement optimal de l'échangeur thermique 10 décrit ici, le distributeur 12 sera disposé en dessous des canaux 1 1 d'écoulement fluidique qu'il alimente vers le haut. Ainsi, la paroi dans laquelle chaque générateur principal d'ultrasons 13 est implanté est constituée par la paroi inférieure du distributeur 12 vue selon la direction verticale, correspondant à la deuxième direction V2 dans cet exemple. Les entrées des canaux 1 1 débouchent quant à eux dans le distributeur 12 au niveau d'une paroi supérieure du distributeur 12 décalée suivant la deuxième direction V2 par rapport à la paroi inférieure du distributeur 12.
Avantageusement, la direction dans laquelle sont dirigées les ondes ultrasonores générées par chaque générateur principal d'ultrasons 13 forme un angle compris entre 0 et 10 degrés par rapport à une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12, notamment compris entre 0 et 7 degrés, en étant inclinée dans un sens opposé au sens d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12. Cette inclinaison permet de générer une déformation 14 d'une surface libre de la phase liquide PL s'étendant en direction de l'entrée du canal 1 1 associé. Autrement dit, le faisceau d'ultrasons 15 n'est pas orienté selon la direction V2 perpendiculaire à la direction V1 , mais forme au contraire un angle avec la direction V1 compris avantageusement dans une plage entre 83 et 90 degrés. Pour parvenir à ce résultat de manière simple, il est avantageux de prévoir que la surface émettrice du générateur principal d'ultrasons 13 soit inclinée selon un angle a par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur 12, donc par rapport à D1 , compris entre 0 et 10 degrés, notamment compris entre 0 et 7 degrés. C'est ce qu'illustrent les figures 8, 1 1 , 12 en exagérant la valeur de l'angle a, qui n'est pas à l'échelle sur la figure.
En référence à la figure 5 maintenant, l'échangeur thermique 10 peut comprendre au moins un générateur auxiliaire d'ultrasons 16. Ce générateur 16 est dit « auxiliaire » pour le différentier des générateurs dits « principaux » précédemment décrits, car il n'est pas associé à un canal 1 1 donné et n'a pas pour vocation de créer une fontaine à ultrasons en direction d'une entrée d'un canal 1 1 de l'échangeur 10. Au contraire, le générateur auxiliaire d'ultrasons 16 est solidaire du distributeur 12 à un emplacement situé en amont de tous les canaux 1 1 d'écoulement fluidique vu dans le sens d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12. Il est agencé de sorte à générer des ondes ultrasonores 17 dirigées vers le flux F, par exemple perpendiculairement à sa direction d'écoulement (donc par rapport à V1 ), d'une manière perturbant et dispersant localement son écoulement en brassant les deux phases PL, PV du fluide diphasique. Cet effet est représenté sur la figure 5 par le fait que le fluide est représenté en aval du générateur auxiliaire 16, vu suivant le sens d'écoulement, par un milieu diphasique homogène à l'aide de pointillés uniformément répartis à l'intérieur du distributeur 12 et des canaux 1 1 . Au contraire, en amont du générateur auxiliaire, l'écoulement fluidique est représenté par un milieu diphasique hétérogène avec conjointement une phase liquide PL et une phase vapeur PV. Cette variante est intéressante car des essais ont montré que le premier canal 1 1 de l'échangeur 10, vu dans le sens d'écoulement fluidique, était sensible à la présence d'un générateur auxiliaire d'ultrasons 16 en amont de celui-ci. Par contre ce générateur 16 n'a pas ou peu d'effet sur la distribution dans les canaux 1 1 au-delà du premier canal 1 1 .
Ainsi, les générateurs d'ultrasons vont agir de deux manières possibles : - par la création d'une déformation 14 qui vient réalimenter les canaux 1 1 en vis-à-vis, par l'intermédiaire des générateurs principaux 13, par la nébulisation et la déstructuration de l'écoulement diphasique le long du distributeur 12, par l'intermédiaire dudit au moins un générateur auxiliaire 16.
Il est aussi possible d'utiliser ledit au moins un générateur d'ultrasons dit auxiliaire de manière seule et isolée, c'est-à-dire sans que les générateurs d'ultrasons principaux 13 ne soient utilisés. Il est même possible de prévoir que l'échangeur thermique ne soit équipé que d'au moins un générateur à ultrasons auxiliaire tel que défini précédemment, sans que ledit échangeur thermique ne soit équipé d'aucun générateur d'ultrasons dit principal.
Comme cela est représenté sur la figure 8, chaque générateur principal d'ultrasons 13, 16 est avantageusement implanté dans une cavité 18 formée dans le distributeur 12. La cavité 18 présente une profondeur (H1 +H2) totale telle que la hauteur HT de la phase liquide PL du fluide séparant le générateur d'ultrasons 13 et la surface libre de la phase liquide PL est incluse dans une plage entre 1 et 5 cm, notamment entre 2 et 4 cm. Une telle hauteur de liquide au-dessus du générateur 13 a pour effet de maximiser autant que possible la hauteur de la déformation 14 de la surface libre, notamment de sorte que sa hauteur soit au moins supérieure ou égale à la hauteur du distributeur 12 comptée suivant une direction perpendiculaire à V1 et donc à la direction d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12, i.e. suivant la direction V2. Ces dispositions peuvent être identiques ou non pour le générateur auxiliaire 16.
En effet, la figure 7 représente l'évolution de la hauteur relative de la fontaine à ultrasons en fonction de la hauteur de liquide au-dessus du générateur d'ultrasons, pour deux fluides différents, à savoir de l'eau pour les points de forme carrée ou de l'eau avec du glycol à 30% pour les points de forme en losange. Il ressort de ce graphe une zone Z comprise entre les abscisses 1 et 6 cm au niveau de laquelle la hauteur relative de la fontaine à ultrasons est maximale, en regard des autres abscisses. Il convient donc de rechercher à appartenir à la zone Z pour maximiser l'effet des générateurs d'ultrasons 13, 16.
Ainsi, les dispositions décrites précédemment obligent à une conception spécifique du distributeur 12, comme représenté sur la figure 6 : afin d'assurer un niveau de liquide minimum au-dessus du générateur 13, une série de cavités 18 sont préparées dans la paroi inférieure du distributeur 12, à des emplacements disposés en vis-à-vis des canaux 1 1 de l'échangeur 10 suivant la direction V2. De manière générale, la cavité 18 présente une partie tronconique sur tout ou partie de sa profondeur, agencée de sorte à s'ouvrir en direction du canal 1 1 associé au générateur d'ultrasons 13 implanté dans la cavité 18. A titre d'exemple sur la figure 8, la cavité comprend un tronçon cylindrique sur une hauteur H1 depuis le générateur d'ultrasons 13, par exemple d'environ 2 cm, se prolongeant par un tronçon tronconique sur une hauteur H2 en direction du conduit interne délimité par le distributeur 12, par exemple de l'ordre de 1 cm. La hauteur totale de la cavité 18 est donc la somme des hauteurs H1 et H2 dans cet exemple particulier. Toujours dans cet exemple particulier, le diamètre D1 de la cavité 18 au niveau du tronçon cylindrique est de l'ordre de 18 mm. Le diamètre de la cavité 18 au niveau de son embouchure dans le conduit interne délimité par le distributeur 12 est quant à lui noté D2, et est supérieur à D1 en raison de l'angle d'ouverture β du tronçon tronconique.
Sur la figure 1 1 , contrairement à l'exemple de la figure 8, toute la hauteur de la cavité 18 est de forme tronconique. Cette géométrie a l'avantage d'être plus simple à réaliser. Par contre la forme de la figure 12 correspond globalement à celle optimisée de la figure 8, ce qui permet de réduire le volume de fluide inerte contenu dans la cavité 18. Dans le cas d'une cavité selon la figure 1 1 , il sera fait en sorte que l'échangeur thermique 10 vérifie la loi mathématique suivante : β≤90° - α Où β est l'angle d'ouverture du tronçon tronconique de la cavité 18 compté par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur (et donc par rapport à V1 ) et a est un angle d'inclinaison du générateur d'ultrasons par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur 12 (et donc par rapport à V1 également). Ces dispositions sont représentées sur les figures 1 1 et 12 respectivement dans le cas où le tronçon tronconique d'angle d'ouverture β s'étend sur toute la hauteur de la cavité 18 ou seulement sur une partie supérieure.
Pour une cavité identique aux figures 8 ou 12, la relation mathématique doit prendre en compte en plus les paramètres D1 , D2, H1 et H2. Il sera avantageusement fait en sorte de vérifier les lois suivantes :
H1 <D1 et H2<(D2-D1 )
Ces deux conditions permettent d'éviter l'impact des ultrasons sur les parois de la cavité 18.
L'invention décrite précédemment permet finalement d'améliorer la distribution fluidique par le distributeur 12 de manière significative. La figure 9 représente la comparaison de la distribution liquide avec et sans application des ultrasons dans le cas d'un débit d'eau de 100 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h. L'abscisse correspond au numéro du canal 1 1 compté suivant le sens d'écoulement fluidique dans le distributeur 12. L'ordonnée correspond à la proportion de liquide notée R dans chaque canal 1 1 . La figure 9 montre une amélioration franche et un changement radical de la distribution du liquide dans un échangeur composé de 10 canaux sous l'effet des ultrasons, sur les huit premiers canaux 1 1 où la courbe avec les losanges est nettement au-dessus de la courbe avec les carrés.
La figure 10 est un graphe identique mais dans le cas d'un débit d'eau de 375 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h. Elle montre une modification plus modeste de la distribution du liquide entre les canaux 1 1 . Toutefois, l'amélioration reste notable d'un point de vue global, puisque le facteur STD pour le liquide, qui marque la déviation (écart-type à la moyenne homogène) reste bien inférieur à la valeur sans ultrason (déviation négative). Ce coefficient STD (pour « Standard Déviation » en terminologie anglosaxonne) correspondant à l'écart-type de la distribution est déf vante :
Où, N est égal au nombre de canaux et Ri à la moyenne des ratios. Ce coefficient est donc égal à 1 pour une distribution homogène. On note néanmoins une amélioration globale plus sensible aux faibles débits liquides en entrée de l'échangeur.
Dans le distributeur 12 de l'échangeur thermique 10 précédemment décrit, il s'opère le changement de régime d'écoulement suivant sous l'effet des générateurs d'ultrasons 13, 16 :
- l'apparition des déformations 14 constitutives de fontaines à ultrasons,
un brassage de l'écoulement par cisaillement des fontaines liquides par l'écoulement gazeux,
une déstructuration de l'écoulement et finalement une disparition d'un écoulement stratifié, remplacé avantageusement (au moins pour le premier canal 1 1 ) par un écoulement fortement agité.
Avantageusement, l'échangeur thermique 10 sera (suivant l'installation thermodynamique le mettant en œuvre) du type à plaques ou à tubes, notamment à mini-canaux extrudés en aluminium, dans lequel une pluralité de plaques ou de tubes délimitent deux à deux les canaux 1 1 d'écoulement fluidique évoqués précédemment.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Echangeur thermique (10) comprenant une pluralité de canaux (1 1 ) d'écoulement fluidique et un distributeur (12) alimenté par un flux (F) d'un fluide diphasique ayant deux phases (PL, PV) dont une phase liquide (PL) et répartissant ledit flux (F) dans la pluralité de canaux (1 1 ), chaque canal (1 1 ) ayant une entrée débouchant dans le distributeur (12), caractérisé en ce que l'échangeur thermique (10) comprend au moins un générateur principal d'ultrasons (13) associé à au moins l'un desdits canaux (1 1 ), et configuré de sorte à générer une déformation (14) d'une surface libre de ladite phase liquide (PL) s'étendant à proximité de l'entrée du canal (1 1 ) associé.
2. Echangeur thermique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la déformation (14) s'étend en direction de l'entrée du canal (1 1 ) associé.
3. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la distance séparant le générateur principal (13) et l'entrée du canal (1 1 ) associé est inférieure à la grandeur de la déformation (14) résultant dudit générateur principal (13).
4. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la distance (X) séparant le centre du générateur principal (13) et le centre de l'entrée du canal (1 1 ) associé vérifie l'équation suivante :
où Dc est le diamètre du distributeur, d est la distance séparant deux canaux successifs le long du distributeur.
5. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au moins un générateur principal d'ultrasons
(13) associé à au moins l'un desdits canaux (1 1 ) est agencé au niveau de la liaison entre le distributeur (12) et ledit au moins un canal (1 1 ) associé.
6. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (10) comprend une pluralité de générateurs principaux d'ultrasons (13), chacun étant associé à des canaux tous différents des autres générateurs principaux.
7. Echangeur thermique (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les entrées des canaux (1 1 ) sont échelonnées à intervalles réguliers selon une première direction (V1 ) le long du distributeur (12), notamment orientée sensiblement horizontalement, correspondant à la direction d'écoulement du flux (F) de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur (12) et en ce que les générateurs principaux d'ultrasons (13) sont échelonnés suivant ladite première direction (V1 ).
8. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il vérifie l'équation suivante :
Où f est la fréquence temporelle d'apparition des déformations (14) de la surface libre de la phase liquide, V est la vitesse d'écoulement de la phase liquide (PL) dans le distributeur (12), d est la distance séparant les entrées de deux canaux (1 1 ) successifs et λ est la longueur d'onde entre deux déformations (14) successives de la surface libre de la phase liquide (PL).
9. Echangeur thermique (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fréquence des ondes ultrasoniques générées par le générateur principal (13) est supérieure à 1 MHz.
10. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que chaque générateur principal d'ultrasons (13) est implanté dans une paroi du distributeur (12) disposée en regard de l'entrée du canal (1 1 ) associé suivant une deuxième direction (V2) perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux (F) de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur (12), les ondes ultrasonores générées par le générateur principal d'ultrasons (13) étant sensiblement dirigées vers l'entrée du canal (1 1 ) associé.
1 1 . Echangeur thermique (10) selon la revendication 10, caractérisé en ce que le distributeur (12) est disposé en dessous des canaux (1 1 ) d'écoulement fluidique qu'il alimente vers le haut, en ce que la paroi dans laquelle ledit au moins un générateur principal d'ultrasons (13) est implanté est constituée par une paroi inférieure du distributeur (12) et en ce que les entrées desdits canaux (1 1 ) débouchent dans le distributeur (12) au niveau d'une paroi supérieure du distributeur (12) décalée suivant ladite deuxième direction (V2) par rapport à ladite paroi inférieure du distributeur (12).
12. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que la direction dans laquelle sont dirigées les ondes ultrasonores (15) générées par le générateur principal d'ultrasons (13) forme un angle compris entre 0 et 10 degrés, et de préférence compris entre 0 et 7 degrés, par rapport à une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur (12), en étant inclinée dans un sens opposé au sens d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur (12).
13. Echangeur thermique (10) selon la revendication 12, caractérisé en ce que la surface émettrice du générateur à ultrasons (13) est inclinée selon un angle (a) par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur compris entre 0 et 10 degrés, notamment compris entre 0 et 7 degrés.
14. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (10) comprend au moins un générateur auxiliaire d'ultrasons (16) solidaire du distributeur (12) à un emplacement situé en amont des canaux (1 1 ) d'écoulement fluidique vu dans le sens d'écoulement du flux (F) de fluide diphasique dans le distributeur (12) et agencé de sorte à générer des ondes ultrasonores (17) dirigées vers ledit flux (F) d'une manière perturbant et dispersant localement son écoulement en brassant lesdites deux phases (PL, PV) du fluide diphasique.
15. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que chaque générateur principal ou auxiliaire d'ultrasons (13, 16) est implanté dans une cavité (18) formée dans le distributeur (12) et ayant une profondeur (H1 +H2) telle que la hauteur (HT) de la phase liquide (PL) du fluide séparant le générateur d'ultrasons (13, 16) et la surface libre de la phase liquide (PL) est incluse dans une plage entre 1 et 6 cm, notamment entre 2 et 4 cm.
16. Echangeur thermique (10) selon la revendication 15, caractérisé en ce que la cavité (18) présente une partie tronconique sur tout ou partie de sa profondeur, agencée de sorte à s'ouvrir en direction du canal associé au générateur d'ultrasons (13, 16) implanté dans la cavité (18).
17. Installation thermodynamique comprenant au moins un échangeur thermique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes de sorte à constituer une pompe à chaleur, une machine frigorifique, un système d'air conditionné, ou une machine de Rankine.
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