EP3887741A1 - Échangeur de chaleur et système de refroidissement d'un fluide comprenant un tel échangeur de chaleur - Google Patents

Échangeur de chaleur et système de refroidissement d'un fluide comprenant un tel échangeur de chaleur

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Publication number
EP3887741A1
EP3887741A1 EP19839341.5A EP19839341A EP3887741A1 EP 3887741 A1 EP3887741 A1 EP 3887741A1 EP 19839341 A EP19839341 A EP 19839341A EP 3887741 A1 EP3887741 A1 EP 3887741A1
Authority
EP
European Patent Office
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fluid
heat exchanger
conduits
heat exchange
air
Prior art date
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Granted
Application number
EP19839341.5A
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German (de)
English (en)
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EP3887741B1 (fr
Inventor
Johanna INGENITO
Romain ANGÉLIQUE
Florian BONNIVARD
Mickael BREGOLI
Grégoire HANSS
Jérome ROCCHI
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Liebherr Aerospace Toulouse SAS
Original Assignee
Liebherr Aerospace Toulouse SAS
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Publication date
Application filed by Liebherr Aerospace Toulouse SAS filed Critical Liebherr Aerospace Toulouse SAS
Publication of EP3887741A1 publication Critical patent/EP3887741A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3887741B1 publication Critical patent/EP3887741B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10—Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/12—Forms of water tubes, e.g. of varying cross-section
    • F22B37/125—Bifurcates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0021—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for aircrafts or cosmonautics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/02—Heat exchange conduits with particular branching, e.g. fractal conduit arrangements

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a tubular heat exchanger for an air or rail transport vehicle.
  • the invention also relates to a system for cooling a fluid comprising such a heat exchanger.
  • the invention also relates to an air conditioning system for a cabin of an air or rail transport vehicle equipped with such a cooling system.
  • An environmental control system for an aircraft cabin is intended to provide the cabin of the aircraft (which generally designates any interior space aircraft whose air pressure and / or temperature must be controlled, such as a passenger cabin, cockpit, hold, etc.) air at controlled pressure and / or temperature.
  • At least one air / air heat exchanger which aims to cool the air taken from the propulsion engines of the aircraft by implementing heat exchanges between this flow of hot air and a flow d 'cold air.
  • such a heat exchanger generally comprises a hot circuit and a transverse cold circuit configured to be able to ensure thermal exchanges between the air flow conveyed by the hot circuit (also designated below by the hot pass) and the flow cold air conveyed by the cold circuit (also designated below by the cold pass).
  • the cold circuit can, for example, be supplied by an air flow taken from the secondary flow of the engine, known under the name of fan air, the temperature of which is close to the external environment of the aircraft, and which can therefore reach in flight temperatures of the order of -50 ° C. and a pressure of the order of 200 mbar.
  • the cold circuit can also be supplied by a flow of air taken from an aircraft scoop which feeds an air channel, better known under the name of RAM air.
  • the hot circuit can be supplied directly by the air taken from the propulsion engines or by air from the engines and already partially treated by equipment upstream of the air conditioning system.
  • the hot circuit can be supplied with air taken from outside the aircraft and compressed by suitable compressors.
  • heat exchangers used today on board aircraft consist of fin or plate type heat exchangers. These exchangers are formed by a heat exchange chamber of generally rectangular shape and include stacked layers of fins, for example corrugated, which form stacked circulation channels which extend alternately in directions perpendicular from layer to layer. 'other.
  • the hot pass which feeds one face of the exchanger circulates in the channels of the different layers and the cold pass which feeds a perpendicular face of the exchanger circulates in the transverse channels interposed between two channels of the hot pass.
  • This architecture makes it possible to insert each hot channel between two cold channels over the entire length of the exchanger and therefore to ensure heat exchanges between the two fluids.
  • heat exchangers make it possible to cool the air taken from the engines or the ambient air compressed by dedicated compressors, before being treated by the other equipment of the air conditioning system in order to be able to supply the cabin of the aircraft.
  • the cooling capacity of an exchanger is directly proportional to its size.
  • the inventors have therefore sought a new solution making it possible to increase the exchange surfaces within the exchanger while minimizing the size of the exchanger.
  • the inventors have in particular sought to develop a heat exchanger which can be used, not only in the context of air conditioning systems of a transport vehicle, such as an aircraft, but also in all types of cooling systems. requiring the cooling of a hot fluid from a source of hot fluid with a cold fluid from a source of cold fluid.
  • the invention is not limited only to heat exchangers intended for air conditioning systems, but also to heat exchangers intended for all types of heat exchange applications.
  • the invention aims to provide a heat exchanger which overcomes at least certain drawbacks of the known solutions.
  • the invention aims in particular to provide, in at least one embodiment, a heat exchanger which makes it possible to optimize the exchange surfaces.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, an exchanger which has a reduced bulk compared to existing heat exchangers.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, an exchanger whose pressure drops are reduced.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, an exchanger which can be embedded in a fluid circulation pipe to functionalize such a pipe and thus reduce the size of the system.
  • the invention also aims to provide a system for cooling a hot fluid with a cold fluid equipped with a heat exchanger according to the invention.
  • the invention also aims to provide an air conditioning system equipped with a heat exchanger according to the invention.
  • the invention also aims to provide an air or rail transport vehicle equipped with an air conditioning system according to the invention.
  • the invention relates to a heat exchanger comprising:
  • a fluid circulation chamber comprising a fluid inlet and a fluid outlet intended to be supplied with a first fluid, said external fluid, brought to a first temperature
  • a heat exchange matrix housed in said circulation chamber and formed of a plurality of heat exchange pipes each comprising at least one pair of conduits nested one inside the other, said to be internal conduit and external conduit respectively, extending along a direction, called longitudinal direction, and defining:
  • a circulation channel for a fluid delimited by said inner duct, and adapted to be able to be supplied with a second fluid, called the inner fluid, brought to a second temperature, and
  • each heat exchange pipe - comprises at least two pairs of nested conduits, said pairs being connected together by at least a transverse spacer.
  • a heat exchanger according to the invention has a configuration particular with a heat exchange matrix formed of a plurality of heat exchange pipes housed in a fluid circulation chamber, at least one heat exchange pipe of which comprises at least two pairs of ducts nested one in the 'other.
  • a heat exchange matrix configuration has the advantage of having a double heat exchange surface and thus of increasing the heat exchange surfaces while reducing the size of said heat exchanger.
  • a heat exchanger comprises a chamber in which circulates a fluid brought to a first temperature.
  • a plurality of heat exchange pipes each comprising at least one pair of conduits nested one inside the other is arranged in this chamber.
  • Each tubing comprises at least one pair of conduits defined by an interior conduit housed in an exterior conduit respectively delimiting an interior channel and an inter-conduit intermediate channel.
  • each channel (respectively the inner channel and the intermediate channel) can be supplied with a dedicated fluid.
  • said exterior and interior conduits are nested one inside the other in order to allow the intermediate fluid to circulate in the intermediate channel delimited by the inter-conduits space and to the interior fluid to circulate in the delimited interior channel. through the interior duct.
  • the inner conduit forms the heat exchange surface between the inner fluid and the intermediate fluid while the outer conduit forms the heat exchange surface between the outer fluid supplying the chamber and the intermediate fluid.
  • the nested conduits therefore form a double heat exchange surface for the intermediate fluid.
  • the intermediate fluid circulating in the intermediate duct can be heated or cooled (depending on the temperatures of the interior, intermediate and exterior fluids) both by the interior fluid circulating in the interior channel and by the exterior fluid circulating in the circulation chamber of fluid.
  • This double heat exchange allowed by the particular structure of the exchanger according to the invention therefore makes it possible to cool and / or reheat the intermediate fluid with better efficiency than the systems of the prior art.
  • the configuration of the nested conduits not only makes it possible to form a double heat exchange zone, but also to reduce the size of the exchanger.
  • double heat exchange has the advantage of reducing the number of heat exchange pipes within an exchanger while benefiting from an exchange surface equivalent to that of an existing exchanger.
  • the exchanger according to the invention makes it possible to increase the exchange surface compared to an existing exchanger and therefore to obtain a more efficient heat exchanger, with equivalent bulk, or to obtain, for equivalent performance, reduced bulk.
  • said interior and exterior fluids intended to respectively supply said interior channel with a pair of nested conduits and said fluid circulation chamber come from the same source of fluid.
  • said exterior and interior fluids are of the same nature and can be brought to the same temperature.
  • the interior and exterior fluids thus enclose the intermediate fluid circulating in the intermediate channel.
  • the intermediate fluid therefore undergoes heat exchanges of the same kind, both at the level of the internal wall delimited by the internal conduit and at the level of the external wall delimited by the external conduit.
  • the exterior and interior fluid is the fluid of the cold pass and the intermediate fluid is the fluid of the hot pass.
  • the cold pass thus makes it possible to cool the hot pass by circulating around it in the chamber and also at the center of the hot pass by circulating in the interior duct delimiting the interior channel.
  • the intermediate fluid is thus cooled more efficiently since said nested conduits delimiting the inter-conduit space in which the intermediate fluid can circulate, are both in contact with a fluid brought to a lower temperature. In this case, the cooling of the intermediate fluid is facilitated and the cooling efficiency of said fluid is improved.
  • the interior channel can communicate with said fluid circulation chamber so that the fluid circulating in said chamber is the same fluid circulating in said interior channel.
  • Said inner pipe of the heat exchange pipe then opens directly into said fluid circulation chamber.
  • the same supply system is sufficient to supply both the inner channel and said circulation chamber.
  • the transverse spacer also designated in the text by "connecting spacer" arranged between the pairs of nested conduits can create turbulence within the fluid circulation chamber which improves the heat exchanges between the fluid outside circulating in the chamber and the intermediate fluid which circulates in the intermediate channels.
  • the connecting spacer can also have a heat exchange functionality by conducting at least part of the heat captured from the external duct to the mixing chamber.
  • a pipe according to the invention equipped with a spacer is rigid so that a plurality of pipes according to the invention allows, when the pipes are associated with each other, to form a compact matrix network of pipes of trades.
  • the internal, intermediate and external fluid flows are air flows, originating respectively from a flow of hot air, for example taken from a propulsion engine of an aircraft and a flow d cold air, taken for example from outside the aircraft.
  • each heat exchange tube - comprises at least two pairs of nested conduits whose said intermediate channels are supplied by the same intermediate fluid distributor.
  • a distributor makes it possible to supply the different pairs of nested conduits of the heat exchange tubing.
  • Such an intermediate fluid distributor is for example formed of a tube comprising an intermediate fluid inlet which splits into several tubes to form several sources of supply of intermediate fluid to the channels intermediaries.
  • the distributor has a fluid inlet and two fluid outlets opening into each of the two intermediate channels of said two pairs of nested conduits.
  • said distributor has a general shape of Y, the base of the Y forming the inlet of the intermediate fluid in the tubing and the two branches of the Y forming supply channels for the intermediate channels.
  • Each distributor can be connected to the same supply system to facilitate the distribution of intermediate fluid in all of the distributors and subsequently in the intermediate channels of the various heat exchange pipes.
  • the distributor has a fluid inlet and three fluid outlets opening into each of the three intermediate channels of the three pairs of nested conduits.
  • a distributor according to this variant of the invention therefore makes it possible to supply a plurality of intermediate channels to a plurality of pairs of conduits by a single supply of intermediate fluid.
  • At least one interior duct - in particular each interior duct - of at least one pair of nested conduits - in particular of each pair of nested conduits - passes through said intermediate fluid distributor.
  • an intermediate fluid supply system can distribute said intermediate fluid in said intermediate channels through distributors.
  • the supply of interior fluid can be done by a second supply system dedicated to the distribution of said interior fluid capable of supplying said interior channels which can extend outside the circulation chamber.
  • each pair of nested conduits crosses said intermediate fluid distributor and opens into said circulation chamber.
  • the interior conduits open directly into the fluid circulation chamber so that the supply of the fluid circulation chamber also allows the supply of the interior channels delimited by the interior conduits.
  • At least one transverse spacer is provided.
  • each transverse spacer - comprises at least one opening configured to allow the passage of said external fluid between said pairs of nested conduits connected by this spacer in a direction having an angle between 0 ° and 90 ° relative to said longitudinal direction.
  • said transverse spacer comprises at least one opening to allow better circulation of said external fluid within the circulation chamber between the pairs of conduits.
  • the external fluid is distributed homogeneously in said circulation chamber in order to promote heat exchanges between said external fluid and said intermediate fluid circulating in the intermediate channel of the pipes.
  • each heat exchange tube - in particular each heat exchange tube - comprises at least one pair of nested conduits whose conduits are connected to each other by a junction rod which extends into the intermediate channel between the inner conduit and the outer conduit.
  • each heat exchange pipe - comprises at least one pair of nested cylindrical conduits.
  • conduits are cylindrical.
  • a cylindrical conduit is understood in the mathematical sense of the term, that is to say that such a conduit is a solid generated by a straight line which moves parallel to itself on a generator.
  • Such a generator can be square, circular, oval, etc.
  • the nested conduits are cylindrical with a circular base.
  • said cylindrical conduits are optimized to be arranged in a fluid circulation chamber which is preferably also cylindrical with a circular base.
  • the heat exchanger then forms a cylindrical tubular exchanger which can be embedded in a cylindrical pipe.
  • the tubular heat exchanger comprising a cylindrical chamber can be easily integrated within a cylindrical fluid circulation pipe.
  • An exchanger according to this variant of the invention embedded in a cylindrical pipe, makes it possible to functionalize this pipe, and therefore to limit the size of the exchanger by accommodating it in equipment already present, thus freeing up space. outside the pipe.
  • the cylindrical shape of the conduits also makes it possible to reduce the pressure forces which are exerted on the walls of the conduits nested by the fluids circulating inside and outside the conduits.
  • the heat exchange pipes of a heat exchanger according to the invention can also have any shape.
  • the pipes can for example be cylindrical, extending in a rectilinear fashion along a longitudinal direction, but nothing prevents the provision of other embodiments in which the pipes are curved, or draw spirals, or any other form.
  • each heat exchange tube - comprises at least one pair of concentric nested conduits.
  • This advantageous variant makes it possible in particular to homogenize the forces exerted on the conduits and to simplify the operations of nesting the conduits in one another.
  • said heat exchanger further comprises a casing, said casing delimiting the fluid circulation chamber.
  • the exchanger chamber is delimited by a casing which comprises at least a plurality of pipes arranged in said chamber so that the exchanger is integrated in a pipe, preferably cylindrical.
  • the invention also relates to a system for cooling a fluid having a first temperature, called hot fluid, by a fluid having a second temperature, called cold fluid, comprising a hot fluid circuit adapted to be able to be supplied with hot fluid by a source of hot fluid, and a cold fluid circuit adapted to be able to be supplied with cold fluid by a source of cold fluid.
  • a cooling system according to the invention is characterized in that it further comprises a heat exchanger according to the invention, said hot circuit supplying said intermediate channels and said cold circuit supplying said interior channels and said circulation chamber of said exchanger.
  • a cooling system according to the invention can be implemented in all applications requiring cooling of a hot fluid with a cold fluid (cooling of electronics by a heat transfer fluid; cooling of air taken from a propellant engine for a system air conditioning; etc.).
  • the fluids can be of the same nature (air / air or liquid / liquid) or of a different nature (air / liquid or liquid / air).
  • said intermediate channels and said interior channels are supplied against the current by said hot and cold circuits respectively.
  • the internal fluid circulates in the internal channel of each tubing counter-current to the intermediate fluid which circulates in the intermediate channel of each tubing, that is to say that the fluids each circulate in opposite directions.
  • the external fluid can also circulate against the current of said intermediate fluid.
  • the invention also relates to an air conditioning system for a cabin of a transport vehicle comprising at least one air cooling system according to the invention.
  • the hot air circuit is for example supplied by air taken from a propulsion engine of the aircraft and said cold air circuit is for example taken from the secondary flow of the engine of the aircraft or the exterior of the aircraft.
  • the invention also relates to an air, rail or motor vehicle comprising at least one propulsion engine, one cabin and at least one air conditioning system of said cabin, characterized in that the air conditioning system of the cabin is an air conditioning system according to the invention.
  • the invention also relates to a heat exchanger, a fluid cooling system, an air conditioning system and an aircraft, characterized in combination by all or some of the characteristics mentioned above or below.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a plurality of heat exchange pipes forming the heat exchange matrix of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3a is a schematic perspective view before of a tube of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 3b is a schematic rear perspective view of a tube of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4a is a schematic perspective view before of a pipe of an exchanger according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 4b is a schematic rear perspective view of a tube of an exchanger according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic view of a heat exchange matrix of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a heat exchange matrix of an exchanger according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of an aircraft according to an embodiment of the invention.
  • each element of the tubular heat exchanger is described as it is arranged when the exchanger is housed in an air circulation pipe which extends along a direction, called longitudinal direction, which coincides with the direction along which extend the heat exchange pipes of the exchanger. This configuration is notably shown in FIG. 1.
  • the description considers that the heat exchanger is installed within an air conditioning system, it being understood that the exchanger can be used for other applications than the cooling of high temperature air, taken for example from a propulsion engine of an aircraft.
  • Figure 1 schematically illustrates a tubular heat exchanger 10 embedded in a pipe 23 for air circulation.
  • the exchanger may include a casing embedded in line 23.
  • the exchanger 10 further comprises a matrix 30 of heat exchanges, housed in a fluid circulation chamber 20, and formed of a plurality of heat exchange tubes 31 extending in a longitudinal direction 70, which coincides with example with the direction along which the pipe 23 extends.
  • the chamber 20 is supplied with air brought to a first temperature.
  • This air is for example air taken from outside the aircraft.
  • This fresh air is schematically represented by the arrow referenced 72a in FIG. 1.
  • the heat exchange pipes 31 have, in the embodiment of FIGS. 2, 3a, 3b, 5 and 6, a Y shape, the base of the Y forming a distributor 50 for supplying intermediate channels, forming the branches of the Y, in an intermediate air brought to a second temperature, distinct from the temperature of the air supplying the chamber 20.
  • This intermediate air is for example hot air taken from the propulsion engines of the aircraft.
  • This hot air is schematically represented by the arrow referenced 71 in FIG. 1.
  • the pipes 31 are also configured to have internal channels supplied with fresh air, which can be the same air as that which feeds the chamber 20. This air is schematically represented by the arrow 72b in FIG. 1.
  • the interior channels can be supplied with air brought to another temperature distinct from the temperatures of the outside air and of the intermediate air.
  • FIG. 2 illustrates in more detail a portion of the heat exchange matrix of an exchanger according to the invention.
  • Each tubing comprises two pairs 32; 33 of conjugate concentric conduits connected to a distributor 50 of intermediate fluid.
  • the distributor 50 includes an inlet 51 of intermediate fluid supplied by a supply system not shown in detail in the figures and two fluid outlets 52 for supplying the intermediate channels 32d and 33d of the pairs 32; 33 of ducts nested one inside the other.
  • the two pairs 32, 33 of conduits are interconnected by means of a transverse spacer 40 which further comprises an opening 41 allowing the passage of the air circulating in the chamber 20.
  • Figures 3a and 3b illustrate a Y-shaped tubing 31.
  • the Y-shaped tubing 31 can be fabricated by an additive printing system, such as a 3D printer.
  • the Y-shaped tube 31 comprises two pairs 32; 33 of ducts nested one inside the other, which are also concentric in the embodiment of the figures.
  • Each pair of ducts is formed by two nested ducts, respectively an inner duct 32a; 33a and an outer conduit 32b; 33b.
  • the inner conduits 32a; 33a delimit an internal channel 32c; 33c of indoor air circulation, which is for example cold air.
  • the inter-duct space formed by the inner duct 32a; 33a and the outer conduit 32b; 33b defines an intermediate channel 32d; 33d of circulation of an intermediate air, which is for example hot air.
  • the outer conduit 32b; 33b is connected to the two fluid outlets 52 of the distributor 50 so that the intermediate fluid supplying the distributor through the inlet 51 is distributed to the intermediate channels 32d; 33d.
  • the inner channel 32c; 33c of each pair of conduits opens into the fluid circulation chamber 20 so that the air flow circulating in the internal channel is the air flow circulating in the chamber 20.
  • the outlets 52 of the distributor 50 connected to the outer conduits 32b; 33b are crossed by the internal conduit 32a; 33a which opens directly into the chamber 20 for circulation of fluid so that the chamber 20 and the internal channels are supplied with the same flow of fresh air.
  • the matrix 30 is formed of Y-shaped pipes 31 whose pairs of conduits 32; 33 concentric conjugates are parallel to each other.
  • Tubing 31 in the form of Y are associated with each other to form a layer of tubing 31.
  • Several layers can be stacked on each other so as to constitute a matrix network of tubing 31 within a chamber 20 to form the matrix 30.
  • the layers of Y-shaped pipes 31 can be stacked so that the inlets 51 of the set of distributors 50 are staggered with respect to each other; thus creating spaces for the passage of the external fluid circulating in the chamber 20.
  • Figures 4a and 4b illustrate a tubing according to another embodiment of the invention.
  • the tubing comprises a distributor 50 and three pairs of nested conduits 32, 33, 34 one inside the other.
  • the distributor 50 supplies the three pairs 32, 33, 34 of conduits in parallel from a single supply to the distributor.
  • a tube can comprise four or more pairs of nested conduits.
  • FIG. 5 a distinction can be made on either side of the inlet 51 of the distributor 50, the internal channels 32c and 33c in which the internal fluid circulates which also supplies the chamber 20 in which the exchange matrix 30 is housed thermal, and not shown in this figure.
  • FIG. 6 schematically illustrates the pairs of conduits 32; 33 nested and in particular the outer conduits 32b and 33b which are connected together by G transverse spacer 40.
  • the heat exchanger 10 can be integrated into an air conditioning system 62.
  • the pipes 31 as illustrated are cylindrical and thus make it possible to obtain a cylindrical matrix 30 which can be housed in a chamber 20 delimited by a cylindrical casing, which can be integrated in a cylindrical air circulation duct and in particular in an air conditioning system 62 fitted to an aircraft 60.
  • the air conditioning system 62 comprises a hot circuit and a cold circuit intended to supply the tubular exchanger according to the invention.
  • the intermediate fluid is the fluid conveyed by the hot circuit and is for example air taken from the propulsion engines 61 of the aircraft.
  • the cold circuit which makes it possible to supply the internal fluid and the external fluid is for example an air circuit taken from the secondary flow of the engine or an air taken from outside the aircraft.
  • the tubular heat exchanger 10 can be directly embedded in an air circulation pipe and in particular in an air conditioning system 62 which equips an aircraft 60. According to this embodiment, the size of the exchanger 10 is thus limited while having an increased heat exchange surface with a system of nested conduits allowing a double heat exchange.
  • the present invention has been described in connection with an aeronautical application, in particular for an air conditioning system of an aircraft cabin.
  • a heat exchanger according to the invention can be implemented, not only in the context of air conditioning systems of a transport vehicle, such as an aircraft, but also in all types of heating systems. cooling requiring the cooling of a hot fluid from a source of hot fluid with a cold fluid from a source of cold fluid.
  • a heat exchanger according to the invention can equip not only systems as described in application EP3342709 in the name of the applicant, but also systems as described in applications EP3190282, WO201634830, EP3392146, WO2018122334, FR2894563 or FR3051894. This list is of course not exhaustive and is cited only to allow a person skilled in the art to perceive the application potential of a heat exchanger according to the invention.

Landscapes

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Abstract

Échangeur (10) de chaleur tubulaire comprenant : une chambre (20) de circulation de fluide destinée à être alimentée par un premier fluide, dit fluide extérieur, porté à une première température, une matrice (30) d'échanges thermiques logée dans ladite chambre de circulation et formée d'une pluralité de tubulures (31) d'échanges thermiques comprenant chacune au moins une paire de conduits (32; 33) imbriqués l'un dans l'autre, s'étendant le long d'une direction, dite direction longitudinale, et définissant : un canal de circulation d'un fluide, dit canal intérieur (32c; 33c), adapté pour pouvoir être alimenté par un deuxième fluide, dit fluide intérieur, porté à une deuxième température, et un canal de circulation d'un fluide, dit canal intermédiaire (32d; 33d), et adapté pour pouvoir être alimenté par un troisième fluide, dit fluide intermédiaire, porté à une troisième température, distincte de ladite première température.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : ÉCHANGEUR DE CHALEUR ET SYSTÈME DE REFROIDISSEMENT D’UN FLUIDE COMPRENANT UN TEL
ÉCHANGEUR DE CHALEUR
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un échangeur de chaleur, notamment un échangeur de chaleur tubulaire pour un véhicule de transport aérien ou ferroviaire. L’invention concerne également un système de refroidissement d’un fluide comprenant un tel échangeur de chaleur. L’invention concerne aussi un système de conditionnement d’air d’une cabine d’un véhicule de transport aérien ou ferroviaire équipé d’un tel système de refroidissement.
Arrière-plan technologique
Un système de contrôle environnemental d’une cabine d’un aéronef, plus connu sous l’acronyme ECS pour la dénomination anglaise « Environmental Control System » est destiné à fournir à la cabine de l’aéronef (qui désigne de manière générale tout espace intérieur de l’aéronef dont la pression et/ou la température de l’air doit être contrôlée, tel qu’une cabine pour passagers, le cockpit de pilotage, une soute, etc.) un air à pression et/ou température contrôlées.
Pour cela, il est connu de prélever un air haute pression sur les moteurs propulsifs de l’aéronef et de traiter cet air par une pluralité d’équipements pour l’amener à une température et pression compatibles avec les besoins de la cabine.
Parmi ces équipements, on trouve au moins un échangeur thermique air/air qui vise à refroidir l’air prélevé sur les moteurs propulsifs de l’aéronef par la mise en œuvre d’échanges thermiques entre ce flux d’air chaud et un flux d’air froid.
Ainsi, un tel échangeur thermique comprend en général un circuit chaud et un circuit froid trans verses configurés pour pouvoir assurer des échanges thermiques entre le flux d’air véhiculé par le circuit chaud (aussi désigné ci-après par la passe chaude) et le flux d’air froid véhiculé par le circuit froid (aussi désigné ci-après par la passe froide).
Le circuit froid peut, par exemple, être alimenté par un flux d’air prélevé sur l’écoulement secondaire du moteur, connu sous la dénomination de fan air, dont la température est proche de l’environnement extérieur de l’aéronef, et qui peut donc atteindre en vol des températures de l’ordre de -50°C et une pression de l’ordre de 200 mbar.
Le circuit froid peut aussi être alimenté par un flux d’air prélevé sur une écope de l’aéronef qui alimente un canal d’air, plus connu sous la dénomination de RAM air.
Le circuit chaud peut être alimenté directement par l’air prélevé sur les moteurs propulsifs ou par un air issu des moteurs et déjà partiellement traité par un équipement en amont du système de conditionnement d’air.
Dans le cas des systèmes de conditionnement d’air électriques, le circuit chaud peut être alimenté par un air prélevé à l’extérieur de l’aéronef et compressé par des compresseurs adaptés.
La plupart des échangeurs thermiques aujourd’hui utilisés à bord des aéronefs sont constitués d’échangeurs de chaleur du type à ailettes ou plaques. Ces échangeurs sont formés d’une chambre d’échanges thermiques de forme généralement rectangulaire et comprennent des couches empilées d’ailettes, par exemple ondulées qui forment des canaux de circulation empilés qui s’étendent alternativement dans des directions perpendiculaires d’une couche à l’autre. Ainsi, la passe chaude qui alimente une face de l’échangeur circule dans les canaux des différentes couches et la passe froide qui alimente une face perpendiculaire de l’échangeur circule dans les canaux transverses intercalés entre deux canaux de la passe chaude. Cette architecture permet d’intercaler chaque canal chaud entre deux canaux froids sur toute la longueur de l’échangeur et donc d’assurer des échanges thermiques entre les deux fluides.
La demande internationale W0201802171 au nom du demandeur décrit un tel échangeur de chaleur.
Ces échangeurs thermiques permettent de refroidir l’air prélevé sur les moteurs ou l’air ambiant compressé par des compresseurs dédiés, avant d’être traité par les autres équipements du système de conditionnement d’air pour pouvoir alimenter la cabine de l’aéronef. La capacité de refroidissement d’un échangeur est directement proportionnelle à son encombrement.
Or, l’encombrement et le poids d’un échangeur thermique sont deux caractéristiques critiques pour les avionneurs qui cherchent en permanence à limiter au maximum le poids et le volume de l’échangeur tout en visant des performances de refroidissement importantes.
Les inventeurs ont donc cherché une solution nouvelle permettant d’augmenter les surfaces d’échanges au sein de l’échangeur tout en limitant au maximum l’encombrement de l’échangeur.
Les inventeurs ont notamment cherché à développer un échangeur de chaleur qui puisse être utilisé, non seulement dans le cadre des systèmes de conditionnement d’air d’un véhicule de transport, tel qu’un aéronef, mais également dans tous types de systèmes de refroidissement nécessitant le refroidissement d’un fluide chaud issu d’une source de fluide chaud par un fluide froid issu d’une source de fluide froid.
A ce titre, l’invention ne se limite pas seulement aux échangeurs de chaleur destinés aux systèmes de conditionnement d’air, mais également aux échangeurs de chaleur destinés à tous types d’applications d’échanges thermiques.
Objectifs de l’invention
L’invention vise à fournir un échangeur de chaleur qui pallie au moins certains inconvénients des solutions connues.
L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un échangeur de chaleur qui permet d’optimiser les surfaces d’échanges.
L’invention vise également à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un échangeur qui présente un encombrement réduit par rapport aux échangeurs de chaleur existants.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un échangeur dont les pertes de charges sont réduites.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un échangeur qui peut être enchâssé dans une conduite de circulation de fluide pour fonctionnaliser une telle conduite et réduire ainsi l’encombrement du système. L’invention vise aussi à fournir un système de refroidissement d’un fluide chaud par un fluide froid équipé d’un échangeur de chaleur selon l’invention.
L’invention vise aussi à fournir un système de conditionnement d’air équipé d’un échangeur de chaleur selon l’invention.
L’invention vise aussi à fournir un véhicule de transport aérien ou ferroviaire équipé d’un système de conditionnement d’air selon l’invention.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un échangeur de chaleur comprenant :
- une chambre de circulation de fluide comprenant une entrée de fluide et une sortie de fluide destinée à être alimentée par un premier fluide, dit fluide extérieur, porté à une première température,
- une matrice d’échanges thermiques logée dans ladite chambre de circulation et formée d’une pluralité de tubulures d’échanges thermiques comprenant chacune au moins une paire de conduits imbriqués l’un dans l’autre, dits respectivement conduit intérieur et conduit extérieur, s’étendant le long d’une direction, dite direction longitudinale, et définissant :
o un canal de circulation d’un fluide, dit canal intérieur, délimité par ledit conduit intérieur, et adapté pour pouvoir être alimenté par un deuxième fluide, dit fluide intérieur, porté à une deuxième température, et
o un canal de circulation d’un fluide, dit canal intermédiaire, délimité par l’espace inter-conduits entre ledit conduit intérieur et ledit conduit extérieur, et adapté pour pouvoir être alimenté par un troisième fluide, dit fluide intermédiaire, porté à une troisième température, distincte de ladite première température.
L’échangeur de chaleur selon l’invention est caractérisé en ce qu’au moins une tubulure d’échanges thermiques - notamment chaque tubulure d’échanges thermiques - comprend au moins deux paires de conduits imbriqués, lesdites paires étant reliées entre elles par au moins une entretoise transversale.
Un échangeur de chaleur selon l’invention présente une configuration particulière avec une matrice d’échanges thermiques formée d’une pluralité de tubulures d’échanges thermiques logées dans une chambre de circulation de fluide, dont au moins une tubulure d’échanges thermiques comprend au moins deux paires de conduits imbriqués l’un dans l’autre. Une telle configuration de matrice d’échanges thermiques présente l’avantage d’avoir une double surface d’échanges thermiques et ainsi d’augmenter les surfaces d’échanges thermiques tout en diminuant l’encombrement dudit échangeur de chaleur.
Plus particulièrement, un échangeur de chaleur selon l’invention comprend une chambre dans laquelle circule un fluide porté à une première température. Une pluralité de tubulures d’échanges thermiques comprenant chacune au moins une paire de conduits imbriqués l’un dans l’autre est agencée dans cette chambre. Chaque tubulure comprend au moins une paire de conduits définie par un conduit intérieur logé dans un conduit extérieur délimitant respectivement un canal intérieur et un canal intermédiaire inter-conduits. Aussi, chaque canal (respectivement le canal intérieur et le canal intermédiaire) peut être alimenté par un fluide dédié.
Selon l’invention, lesdits conduits extérieur et intérieur sont imbriqués l’un dans l’autre afin de permettre au fluide intermédiaire de circuler dans le canal intermédiaire délimité par l’espace inter-conduits et au fluide intérieur de circuler dans le canal intérieur délimité par le conduit intérieur. Le conduit intérieur forme la surface d’échanges thermiques entre le fluide intérieur et le fluide intermédiaire tandis que le conduit extérieur forme la surface d’échanges thermiques entre le fluide extérieur alimentant la chambre et le fluide intermédiaire. Les conduits imbriqués forment donc une double surface d’échanges thermiques pour le fluide intermédiaire.
Ainsi, le fluide intermédiaire circulant dans le conduit intermédiaire peut être réchauffé ou refroidi (selon les températures des fluides intérieur, intermédiaire et extérieur) à la fois par le fluide intérieur circulant dans le canal intérieur et par le fluide extérieur circulant dans la chambre de circulation de fluide. Ce double échange thermique permis par la structure particulière de l’échangeur selon l’invention permet donc de refroidir et/ou de réchauffer le fluide intermédiaire avec une meilleure efficacité que les systèmes de l’art antérieur. Selon l’invention, la configuration des conduits imbriqués permet non seulement de former une double zone d’échanges thermiques, mais également de réduire l’encombrement de l’échangeur. En particulier, le double échange thermique présente l’avantage de diminuer le nombre de tubulures d’échanges thermiques au sein d’un échangeur tout en bénéficiant d’une surface d’échanges équivalente à celle d’un échangeur existant. L’échangeur selon l’invention permet d’augmenter la surface d’échanges par rapport à un échangeur existant et donc d’obtenir un échangeur de chaleur plus performant, à encombrement équivalent, ou d’obtenir à performance équivalente, un encombrement réduit.
Selon l’invention, lesdits fluides intérieur et extérieur destinés à alimenter respectivement ledit canal intérieur d’une paire de conduits imbriqués et ladite chambre de circulation de fluide proviennent d’une même source de fluide.
Ainsi lesdits fluides extérieur et intérieur sont de même nature et peuvent être portés à la même température. Les fluides intérieur et extérieur enserrent ainsi le fluide intermédiaire circulant dans le canal intermédiaire. Le fluide intermédiaire subit donc des échanges thermiques de même nature, à la fois au niveau de la paroi interne délimitée par le conduit intérieur et au niveau de la paroi externe délimitée par le conduit extérieur.
En outre, selon l’invention, le fluide extérieur et intérieur est le fluide de la passe froide et le fluide intermédiaire est le fluide de la passe chaude. La passe froide permet ainsi de refroidir la passe chaude en circulant autour de celle-ci dans la chambre et également au centre de la passe chaude en circulant dans le conduit intérieur délimitant le canal intérieur.
Le fluide intermédiaire est ainsi refroidi plus efficacement étant donné que lesdits conduits imbriqués délimitant l’espace inter-conduit dans lequel peut circuler le fluide intermédiaire, sont tous deux au contact d’un fluide porté à une température inférieure. Dans ce cas, le refroidissement du fluide intermédiaire est facilité et le rendement de refroidissement dudit fluide est amélioré.
Selon l’invention, le canal intérieur peut communiquer avec ladite chambre de circulation de fluide de sorte que le fluide circulant dans ladite chambre est le même fluide circulant dans ledit canal intérieur. Ledit conduit intérieur de la tubulure d’échanges thermiques débouche alors directement dans ladite chambre de circulation de fluide. Aussi, un même système d’alimentation est suffisant pour alimenter à la fois le canal intérieur et ladite chambre de circulation. Ainsi, cette configuration ne nécessite qu’un unique fluide traversant la chambre de circulation de fluide de l’entrée vers la sortie en alimentant en même temps lesdits canaux intérieurs des tubulures d’échanges thermiques.
Selon l’invention, l’entretoise transversale, aussi désignée dans le texte par « entretoise de liaison », agencée entre les paires de conduits imbriqués peut créer des turbulences au sein de la chambre de circulation de fluide qui améliore les échanges thermiques entre le fluide extérieur circulant dans la chambre et le fluide intermédiaire qui circule dans les canaux intermédiaires.
L’entretoise de liaison peut également présenter une fonctionnalité d’échanges de chaleur en conduisant au moins une partie de la chaleur captée du conduit extérieur vers la chambre de mélange.
En outre, une tubulure selon l’invention équipée d’une entretoise est rigide de sorte qu’une pluralité de tubulures selon l’invention permet, lorsque les tubulures sont associées les unes aux autres, de former un réseau matriciel compact de tubulures d’échanges.
Selon une variante de l’invention, les flux de fluide intérieur, intermédiaire et extérieur sont des flux d’air, issus respectivement d’un flux d’air chaud, par exemple prélevé sur un moteur propulsif d’un aéronef et un flux d’air froid, prélevé par exemple à l’extérieur de l’aéronef.
Avantageusement et selon l’invention, au moins une tubulure d’échanges thermiques - notamment chaque tubulure d’échanges thermiques - comprend au moins deux paires de conduits imbriqués dont lesdits canaux intermédiaires sont alimentés par un même distributeur de fluide intermédiaire.
Selon cette variante avantageuse, un distributeur permet d’alimenter les différentes paires de conduits imbriqués de la tubulure d’échanges thermiques.
Un tel distributeur de fluide intermédiaire est par exemple formé d’un tube comprenant une entrée de fluide intermédiaire qui se scinde en plusieurs tubes pour former plusieurs sources d’alimentation en fluide intermédiaire des canaux intermédiaires. Dans le cas où la tubulure comprend deux paires de conduits imbriqués, le distributeur présente une entrée de fluide et deux sorties de fluide débouchant dans chacun des deux canaux intermédiaires desdites deux paires de conduits imbriqués.
De préférence, ledit distributeur présente une forme générale de Y, la base du Y formant l’entrée du fluide intermédiaire dans la tubulure et les deux branches du Y formant des canaux d’alimentation des canaux intermédiaires.
Chaque distributeur peut être relié à un même système d’alimentation pour faciliter la distribution de fluide intermédiaire dans l’ensemble des distributeurs et par la suite dans les canaux intermédiaires des différentes tubulures d’échanges thermiques.
Dans le cas où la tubulure comprend trois paires de conduits imbriqués, le distributeur présente une entrée de fluide et trois sorties de fluide débouchant dans chacun des trois canaux intermédiaires des trois paires de conduits imbriqués. Bien entendu, rien n’empêche de prévoir des tubulures comprenant plus de trois paires de conduits imbriqués pour un effet équivalent.
Un distributeur selon cette variante de l’invention permet donc d’alimenter une pluralité de canaux intermédiaires d’une pluralité de paires de conduits par une seule alimentation de fluide intermédiaire.
Avantageusement et selon l’invention, au moins un conduit intérieur - notamment chaque conduit intérieur - d’au moins une paire de conduits imbriqués - notamment de chaque paire de conduits imbriqués - traverse ledit distributeur de fluide intermédiaire.
Cela permet d’alimenter les canaux intérieurs, soit directement par le fluide circulant dans la chambre de circulation, soit par un fluide dédié aux canaux intérieurs, auquel cas les conduits intérieurs traversent également la chambre de circulation de fluide extérieur.
Selon cette variante, un système d’alimentation en fluide intermédiaire peut distribuer ledit fluide intermédiaire dans lesdits canaux intermédiaires par le biais des distributeurs. L’alimentation en fluide intérieur peut se faire grâce à un deuxième système d’alimentation dédié à la distribution dudit fluide intérieur pouvant alimenter lesdits canaux intérieurs qui peuvent se prolonger hors de la chambre de circulation.
Avantageusement et selon l’invention, au moins un conduit intérieur - notamment chaque conduit intérieur - d’au moins une paire de conduits imbriqués
- notamment de chaque paire de conduits imbriqués - traverse ledit distributeur de fluide intermédiaire et débouche dans ladite chambre de circulation.
Selon cette variante, les conduits intérieurs débouchent directement dans la chambre de circulation de fluide de sorte que l’alimentation de la chambre de circulation de fluide permet également l’alimentation des canaux intérieurs délimités par les conduits intérieurs.
Avantageusement et selon l’invention, au moins une entretoise transversale
- notamment chaque entretoise transversale - comprend au moins une ouverture configurée pour permettre le passage dudit fluide extérieur entre lesdites paires de conduits imbriqués reliés par cette entretoise selon une direction présentant un angle compris entre 0° et 90° par rapport à ladite direction longitudinale.
Selon cette variante, ladite entretoise transversale comprend au moins une ouverture pour permettre une meilleure circulation dudit fluide extérieur au sein de la chambre de circulation entre les paires de conduits.
Selon cette variante, le fluide extérieur est réparti de manière homogène dans ladite chambre de circulation afin de favoriser les échanges thermiques entre ledit fluide extérieur et ledit fluide intermédiaire circulant dans le canal intermédiaire des tubulures.
Avantageusement et selon l’invention, au moins une tubulure d’échanges thermiques - notamment chaque tubulure d’échanges thermiques - comprend au moins une paire de conduits imbriqués dont les conduits sont reliés l’un à l’autre par une baguette de jonction qui s’étend dans le canal intermédiaire entre le conduit intérieur et le conduit extérieur.
Selon cette variante, les conduits intérieur et extérieur qui forment ensemble une paire de conduits imbriqués de la tubulure sont reliés mécaniquement par au moins une baguette de jonction qui s’étend dans l’espace inter-conduits entre les conduits pour rigidifier l’ensemble ainsi formé. Avantageusement et selon l’invention, au moins une tubulure d’échanges thermiques - notamment chaque tubulure d’échanges thermiques - comprend au moins une paire de conduits imbriqués cylindriques.
Selon cette variante, les conduits sont cylindriques. Un conduit cylindrique s’entend au sens mathématique du terme, c’est-à-dire qu’un tel conduit est un solide engendré par une droite qui se déplace parallèlement à elle-même sur une génératrice. Une telle génératrice peut être carrée, circulaire, ovale, etc.
De préférence, les conduits imbriqués sont cylindriques à base circulaire.
Selon cette variante, lesdits conduits cylindriques sont optimisés pour être agencés dans une chambre de circulation de fluide qui est de préférence également cylindrique à base circulaire. En d’autres termes, l’échangeur de chaleur forme alors un échangeur tubulaire cylindrique qui peut être enchâssé dans une conduite cylindrique. Ainsi, l’échangeur de chaleur tubulaire comprenant une chambre cylindrique peut être aisément intégré au sein d’une canalisation cylindrique de circulation de fluide.
Un échangeur selon cette variante de l’invention, enchâssé dans une conduite cylindrique, permet de fonctionnaliser cette conduite, et donc de limiter l’encombrement de l’échangeur en le logeant au sein d’un équipement déjà présent, libérant ainsi de la place à l’extérieur de la conduite.
Selon cette variante, la forme cylindrique des conduits permet aussi de diminuer les efforts de pression qui s’exercent sur les parois des conduits imbriqués par les fluides circulant à l’intérieur et à l’extérieur des conduits.
Les tubulures d’échanges thermiques d’un échangeur de chaleur selon l’invention peuvent aussi présenter des formes quelconques. Ainsi, les tubulures peuvent par exemple être cylindrique en s’étendant de manière rectiligne le long d’une direction longitudinale, mais rien n’empêche de prévoir d’autres modes de réalisation dans lesquels les tubulures sont courbes, ou dessinent des spirales, ou tout autre forme quelconque.
Avantageusement et selon l’invention, au moins une tubulure d’échanges thermiques - notamment chaque tubulure d’échanges thermiques - comprend au moins une paire de conduits imbriqués concentriques. Cette variante avantageuse permet notamment d’homogénéiser les efforts qui s’exercent sur les conduits et de simplifier les opérations d’imbrication des conduits l’un dans l’autre.
Avantageusement et selon l’invention, ledit échangeur de chaleur comprend en outre un carter, ledit carter délimitant la chambre de circulation de fluide.
Selon cette variante, la chambre de l’échangeur est délimitée par un carter qui comprend au moins une pluralité de tubulures agencées dans ladite chambre de manière à ce que l’échangeur soit intégré dans une canalisation, de préférence cylindrique.
L’invention concerne également un système de refroidissement d’un fluide présentant une première température, dit fluide chaud, par un fluide présentant une deuxième température, dit fluide froid, comprenant un circuit de fluide chaud adapté pour pouvoir être alimenté en fluide chaud par une source de fluide chaud, et un circuit de fluide froid adapté pour pouvoir être alimenté en fluide froid par une source de fluide froid.
Un système de refroidissement selon l’invention est caractérisé en ce qu’il comprend en outre un échangeur de chaleur selon l’invention, ledit circuit chaud alimentant lesdits canaux intermédiaires et ledit circuit froid alimentant lesdits canaux intérieurs et ladite chambre de circulation dudit échangeur.
Un système de refroidissement selon l’invention peut être mis en œuvre dans toutes les applications nécessitant de refroidir un fluide chaud par un fluide froid (refroidissement d’électronique par un fluide caloporteur ; refroidissement d’un air prélevé sur un moteur propulsif pour un système de conditionnement d’air ; etc.). Les fluides peuvent être de même nature (air/air ou liquide/liquide) ou de nature différente (air/liquide ou liquide/air).
Les avantages d’un échangeur de chaleur selon l’invention s’appliquent mutatis mutandis à un système de refroidissement selon l’invention.
Avantageusement et selon l’invention, lesdits canaux intermédiaires et lesdits canaux intérieurs sont alimentés à contre-courant par lesdits circuits chaud et froid respectivement.
Selon cette variante, le fluide intérieur circule dans le canal intérieur de chaque tubulure à contre-courant du fluide intermédiaire qui circule dans le canal intermédiaire de chaque tubulure, c’est-à-dire que les fluides circulent chacun dans des directions opposées. En variante ou en combinaison, le fluide extérieur peut également circuler à contre-courant dudit fluide intermédiaire.
L’invention concerne également un système de conditionnement d’air d’une cabine d’un véhicule de transport comprenant au moins un système de refroidissement d’air selon l’invention.
Selon cette variante, le circuit d’air chaud est par exemple alimenté par un air prélevé sur un moteur propulsif de l’aéronef et ledit circuit d’air froid est par exemple prélevé sur l’écoulement secondaire du moteur de l’aéronef ou à l’extérieur de l’aéronef.
Bien entendu, rien n’empêche d’utiliser un échangeur selon l’invention en prévoyant que le fluide chaud ne soit pas issu d’un prélèvement sur les moteurs propulsifs de l’aéronef, ce qui peut par exemple le cas dans le cadre de systèmes de conditionnement d’air électriques pour lesquels l’air chaud est obtenu par des moyens de compression de l’air prélevé à l’extérieur de l’aéronef.
L’invention concerne également un véhicule de transport aérien, ferroviaire ou automobile comprenant au moins un moteur propulsif, une cabine et au moins un système de conditionnement d’air de ladite cabine, caractérisé en ce que le système de conditionnement d’air de la cabine est un système de conditionnement d’air selon l’invention.
Les avantages d’un système de conditionnement d’air selon l’invention s’appliquent mutatis mutandis à un véhicule de transport selon l’invention.
L’invention concerne également un échangeur de chaleur, un système de refroidissement d’un fluide, un système de conditionnement d’air et un aéronef, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci- dessus ou ci-après.
Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : [Fig. 1] est une vue schématique en coupe d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] est une vue schématique en perspective d’une pluralité de tubulures d’échanges thermiques formant la matrice d’échanges thermiques d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3a] est une vue schématique en perspective avant d’une tubulure d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3b] est une vue schématique en perspective arrière d’une tubulure d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 4a] est une vue schématique en perspective avant d’une tubulure d’un échangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 4b] est une vue schématique en perspective arrière d’une tubulure d’un échangeur selon un autre mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 5] est une vue schématique d’une matrice d’échanges thermiques d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 6] est une vue schématique d’une matrice d’échanges thermiques d’un échangeur selon un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 7] est une vue schématique d’un aéronef selon un mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté. Dans toute la description détaillée qui suit en référence aux figures, sauf indication contraire, chaque élément de l’échangeur de chaleur tubulaire est décrit tel qu’il est agencé lorsque l’échangeur est logé dans une conduite de circulation d’air qui s’étend le long d’une direction, dite direction longitudinale, qui coïncide avec la direction le long de laquelle s’étendent les tubulures d’échanges thermiques de l’échangeur. Cette configuration est notamment représentée sur la figure 1.
En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.
Dans toute la suite, la description considère que l’échangeur de chaleur est installé au sein d’un système de conditionnement d’air, étant entendu que l’échangeur peut être utilisé pour d’autres applications que le refroidissement d’un air haute température, prélevé par exemple sur un moteur propulsif d’un aéronef.
La figure 1 illustre de manière schématique un échangeur 10 de chaleur tubulaire enchâssé dans une conduite 23 de circulation d’air. L’échangeur peut comprendre un carter enchâssé dans la conduite 23.
L’échangeur 10 comprend en outre une matrice 30 d’échanges thermiques, logée dans une chambre 20 de circulation de fluide, et formée d’une pluralité de tubulures 31 d’échanges thermiques s’étendant selon une direction longitudinale 70, qui coïncide par exemple avec la direction le long de laquelle s’étend la conduite 23.
La chambre 20 est alimentée par un air porté à une première température. Cet air est par exemple un air prélevé à l’extérieur de l’aéronef. Cet air frais est schématiquement représenté par la flèche référencée 72a sur la figure 1.
Les tubulures 31 d’échanges thermiques présentent, dans le mode de réalisation des figures 2, 3a, 3b, 5 et 6, une forme de Y, la base du Y formant un distributeur 50 d’alimentation de canaux intermédiaires, formant les branches du Y, en un air intermédiaire porté à une deuxième température, distincte de la température de l’air alimentant la chambre 20. Cet air intermédiaire est par exemple un air chaud prélevé sur les moteurs propulsifs de l’aéronef. Cet air chaud est schématiquement représenté par la flèche référencée 71 sur la figure 1.
Les tubulures 31 sont également configurées pour présenter des canaux intérieurs alimentés en un air frais, qui peut être le même air que celui qui alimente la chambre 20. Cet air est schématiquement représenté par la flèche 72b sur la figure 1. Selon un autre mode de réalisation, les canaux intérieurs peuvent être alimentés par un air porté à une autre température distincte des températures de l’air extérieur et de l’air intermédiaire.
La figure 2 illustre de manière plus détaillée une portion de la matrice d’échanges thermiques d’un échangeur selon l’invention. Chaque tubulure comprend deux paires 32 ; 33 de conduits concentriques conjugués reliés à un distributeur 50 de fluide intermédiaire. Le distributeur 50 comprend une entrée 51 de fluide intermédiaire alimentée par un système d’alimentation non représenté en détail sur les figures et deux sorties 52 de fluide permettant d’alimenter les canaux intermédiaires 32d et 33d des paires 32 ; 33 de conduits imbriqués l’un dans l’autre. Les deux paires 32, 33 de conduits sont reliées entre elles par le biais d’une entretoise 40 transversale qui comprend en outre une ouverture 41 permettant le passage de l’air circulant dans la chambre 20.
Les figures 3a et 3b illustrent une tubulure 31 en forme de Y. La tubulure 31 en forme de Y peut être fabriquée par un système d’impression additive, tel qu’une imprimante 3D.
Tel qu’illustré sur ces figures, la tubulure 31 en forme de Y comprend deux paires 32 ; 33 de conduits imbriqués l’un dans l’autre, qui sont également concentriques dans le mode de réalisation des figures. Chaque paire de conduit est formée par deux conduits imbriqués, respectivement un conduit intérieur 32a ; 33a et un conduit extérieur 32b ; 33b.
Les conduits intérieurs 32a ; 33a délimitent un canal intérieur 32c ; 33c de circulation de l’air intérieur, qui est par exemple un air froid.
L’espace inter-conduits formé par le conduit intérieur 32a ; 33a et le conduit extérieur 32b ; 33b délimite un canal intermédiaire 32d ; 33d de circulation d’un air intermédiaire, qui est par exemple un air chaud.
Le conduit extérieur 32b ; 33b est relié aux deux sorties 52 de fluide du distributeur 50 de sorte que le fluide intermédiaire alimentant le distributeur par l’entrée 51 est distribué aux canaux intermédiaires 32d ; 33d.
Le canal intérieur 32c ; 33c de chaque paire de conduits débouche dans la chambre 20 de circulation de fluide de sorte que le flux d’air circulant dans le canal intérieur est le flux d’air circulant dans la chambre 20. Pour ce faire, les sorties 52 du distributeur 50 reliées aux conduits extérieurs 32b ; 33b sont traversées par le conduit interne 32a ; 33a qui débouche directement dans la chambre 20 de circulation de fluide de sorte que la chambre 20 et les canaux intérieurs sont alimentés par le même flux d’air frais.
La matrice 30 est formée de tubulures 31 en forme de Y dont les paires de conduits 32 ; 33 concentriques conjugués sont parallèles entre eux. Les tubulures 31 en fomie de Y sont associées les unes aux autres pour former une couche de tubulures 31. Plusieurs couches peuvent être empilées les unes sur les autres de manière à constituer un réseau matriciel de tubulures 31 au sein d’une chambre 20 pour former la matrice 30. Les couches de tubulures 31 en forme de Y peuvent être empilées de sorte que les entrées 51 de l’ensemble des distributeurs 50 soient en quinconce les unes par rapport aux autres ; créant ainsi des espaces pour le passage du fluide extérieur circulant dans la chambre 20.
Les figures 4a et 4b illustrent une tubulure selon un autre mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation, la tubulure comprend un distributeur 50 et trois paires de conduits imbriqués 32, 33, 34 l’un dans l’autre. En outre, le distributeur 50 alimente en parallèle les trois paires 32, 33, 34 de conduits à partir d’une seule alimentation du distributeur.
Selon d’autres modes de réalisation non représentés, une tubulure peut comprendre quatre paires de conduits imbriqués ou davantage.
Sur la figure 5, on distingue de part et d’autre de l’entrée 51 du distributeur 50, les canaux intérieurs 32c et 33c dans lesquels circule le fluide intérieur qui alimente également la chambre 20 dans laquelle est logée la matrice 30 d’échanges thermiques, et non représentée sur cette figure.
La figure 6 illustre de manière schématique les paires de conduits 32 ; 33 imbriqués et notamment les conduit extérieurs 32b et 33b qui sont reliés entre eux par G entretoise 40 transversale.
L’échangeur 10 de chaleur peut selon ce mode de réalisation être intégré à un système 62 de conditionnement d’air. En outre, les tubulures 31 telles qu’illustrées sont cylindriques et permettent ainsi d’obtenir une matrice 30 cylindrique qui peut être logée dans une chambre 20 délimitée par un carter cylindrique, qui peut être intégrée dans une canalisation de circulation d’air cylindrique et notamment dans un système 62 de conditionnement d’air équipant un aéronef 60.
Tel qu’illustré par la figure 7, le système 62 de conditionnement d’air comprend un circuit chaud et un circuit froid destiné à alimenter l’échangeur tubulaire selon l’invention. Le fluide intermédiaire est le fluide véhiculé par le circuit chaud et est par exemple un air prélevé sur les moteurs propulsifs 61 de l’aéronef. Le circuit froid qui permet de fournir le fluide intérieur et le fluide extérieur est par exemple un circuit d’air prélevé sur l’écoulement secondaire du moteur ou un air prélevé à l’extérieur de l’aéronef.
L’échangeur 10 de chaleur tubulaire peut être directement enchâssé dans une canalisation de circulation d’air et notamment dans un système 62 de conditionnement d’air qui équipe un aéronef 60. Selon ce mode de réalisation, l’encombrement de l’échangeur 10 est ainsi limité tout en ayant une surface d’échanges thermiques augmentée avec un système de conduits imbriqués permettant un double échange thermique.
La présente invention a été décrite en lien avec une application aéronautique, en particulier pour un système de conditionnement d’air d’une cabine d’aéronef.
Cela étant, un échangeur de chaleur selon l’invention peut être mise en œuvre, non seulement dans le cadre des systèmes de conditionnement d’air d’un véhicule de transport, tel qu’un aéronef, mais également dans tous types de systèmes de refroidissement nécessitant le refroidissement d’un fluide chaud issu d’une source de fluide chaud par un fluide froid issu d’une source de fluide froid.
A ce titre, un échangeur de chaleur selon l’invention peut équiper, non seulement des systèmes tels que décrits dans la demande EP3342709 au nom du demandeur, mais également des systèmes tels que décrits dans les demandes EP3190282, WO201634830, EP3392146, WO2018122334, FR2894563 ou FR3051894. Cette liste n’est bien sûr pas limitative et n’est citée que pour permettre à l’homme du métier de percevoir le potentiel d’application d’un échangeur de chaleur selon l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Échangeur (10) de chaleur comprenant :
- une chambre (20) de circulation de fluide comprenant une entrée (21) de fluide et une sortie (22) de fluide destinée à être alimentée par un premier fluide, dit fluide extérieur, porté à une première température,
- une matrice (30) d’échanges thermiques logée dans ladite chambre (20) de circulation et formée d’une pluralité de tubulures (31) d’échanges thermiques comprenant chacune au moins une paire de conduits (32 ; 33) imbriqués l’un dans l’autre, dits respectivement conduit intérieur (32a ; 33a) et conduit extérieur (32b ; 33b) s’étendant le long d’une direction, dite direction longitudinale (70), et définissant :
o un canal de circulation d’un fluide, dit canal intérieur (32c ; 33c), délimité par ledit conduit intérieur (32a ; 33b), et adapté pour pouvoir être alimenté par un deuxième fluide, dit fluide intérieur, porté à une deuxième température, et
o un canal de circulation d’un fluide, dit canal intermédiaire (32d ; 33d), délimité par l’espace inter-conduits entre ledit conduit intérieur (32a ; 33a) et ledit conduit extérieur (32b ; 33b), et adapté pour pouvoir être alimenté par un troisième fluide, dit fluide intermédiaire, porté à une troisième température, distincte de ladite première température,
caractérisé en ce qu’au moins une tubulure (31) d’échanges thermiques comprend au moins deux paires de conduits (32 ; 33) imbriqués, lesdites paires étant reliées entre elles par au moins une entretoise transversale (40).
2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une tubulure (31) d’échanges thermiques comprend au moins deux paires de conduits (32 ; 33) imbriqués dont lesdits canaux intermédiaires (32d ; 33d), sont alimentés par un même distributeur (50) de fluide intermédiaire.
3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’au moins un conduit intérieur (32a ; 33a) d’au moins une paire de conduits (32 ; 33) imbriqués traverse ledit distributeur (50) de fluide intermédiaire.
4. Échangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’au moins un conduit intérieur (32a ; 33a) d’au moins une paire de conduits (32 ; 33) imbriqués traverse ledit distributeur (50) de fluide intermédiaire et débouche dans ladite chambre (20) de circulation.
5. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’au moins une entretoise (40) transversale comprend au moins une ouverture (41) configurée pour permettre le passage dudit fluide extérieur entre lesdites paires de conduits imbriqués reliés par cette entretoise selon une direction présentant un angle compris entre 0° et 90° par rapport à ladite direction longitudinale (70).
6. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’au moins une tubulure (31) d’échanges thermiques comprend au moins une paire de conduits imbriqués dont les conduits sont reliés l’un à l’autre par une baguette de jonction qui s’étend dans le canal intermédiaire entre le conduit intérieur et le conduit extérieur.
7. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’au moins une tubulure (31) d’échanges thermiques comprend au moins une paire de conduits (32 ; 33) imbriqués cylindriques.
8. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’au moins une tubulure (31) d’échanges thermiques comprend au moins une paire de conduits imbriqués concentriques.
9. Échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un carter logeant lesdites tubulures d’échanges thermiques, ledit carter délimitant la chambre (20) de circulation de fluide.
10. Système de refroidissement d’un fluide présentant une première température, dit fluide chaud, par un fluide présentant une deuxième température, dit fluide froid, comprenant un circuit de fluide chaud adapté pour pouvoir être alimenté en fluide chaud par une source de fluide chaud, et un circuit de fluide froid adapté pour pouvoir être alimenté en fluide froid par une source de fluide froid, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un échangeur de chaleur selon l’une des revendications 1 à 9, ledit circuit chaud alimentant lesdits canaux intermédiaires et ledit circuit froid alimentant lesdits canaux intérieurs et ladite chambre de circulation dudit échangeur.
11. Système de refroidissement selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits canaux intermédiaires et lesdits canaux intérieurs sont alimentés à contre-courant par lesdits fluides chaud et froid respectivement.
12. Système de conditionnement d’air d’une cabine d’un véhicule de transport comprenant au moins un système de refroidissement d’air conforme à la revendication 10 ou 11.
13. Véhicule de transport aérien, ferroviaire ou automobile comprenant au moins un moteur propulsif (61), une cabine et au moins un système de conditionnement d’air de ladite cabine, caractérisé en ce que le système de conditionnement d’air de la cabine est un système (62) de conditionnement d’air selon la revendication 12.
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