FR2470355A1

FR2470355A1 - Echangeur de chaleur

Info

Publication number: FR2470355A1
Application number: FR7929052A
Authority: FR
Inventors: Jacques De Lallee; Daniel Tollens
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1979-11-26
Filing date: 1979-11-26
Publication date: 1981-05-29
Also published as: EP0030483A1; DE3063539D1; US4395976A; EP0030483B1; FR2470355B1

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN ECHANGEUR DE CHALEUR. CET ECHANGEUR DE CHALEUR COMPREND UNE PREMIERE ENCEINTE DANS LAQUELLE SE TROUVE UN SEL FONDU 5, EN CONTACT THERMIQUE AVEC UNE DEUXIEME ENCEINTE 4, AU SOMMET DE LAQUELLE ARRIVE UN FLUIDE CALOPORTEUR FROID, ET UNE CONDUITE 7 PLACEE DANS CETTE DEUXIEME ENCEINTE 4, PAR LAQUELLE SORT LE FLUIDE CALOPORTEUR RECHAUFFE. CETTE DEUXIEME ENCEINTE 4 COMPORTE UN GARNISSAGE 11 PERMETTANT DE REGULER L'ECOULEMENT DU FLUIDE JUSQU'AU BAS DE LA DEUXIEME ENCEINTE 4 ET LA VAPORISATION PARTIELLE DU FLUIDE CALOPORTEUR SOUS FORME DE PETITES BULLES DE GAZ POUVANT S'ECHAPPER PAR LA CONDUITE 7 AU MOYEN DES TROUS 10. APPLICATION A LA CLIMATISATION DE COMBINAISON DE PLONGEURS SOUS-MARINS.

Description

La présente invention concerne un échangeur de

chaleur. -

On sait qu'un échangeur de chaleur sert à trans-

mettre de la chaleur d'un corps à un autre par l'intermé-

diaire d'une ou plusieurs surfaces, métalliques ou non, séparant les deux corps présents simultanément dans l'échangeur. Ces surfaces permettant l'échange de chaleur, peuvent en particulier, former une ou plusieurs enceintes

dans lesquelles se trouve le corps à réchauffer.

On sait, d'autre part, que les deux corps en contact thermique peuvent être ou non des fluides pouvant ou non subir un changement d'état. En particulier, le

corps chaud peut être un corps pur ou un mélange eutecti-

que sous forme liquide se solidifiant au contact du corps froid en libérant de la chaleur emmagasinée sous forme de chaleur latente. A la suite de cet échange de chaleur le

corps froid ou fluide caloporteur peut subir une vaporisa-

tion. La présente invention s'applique à ce type d'échangeur dont le corps chaud est une source de chaleur autonome. Ces échangeurs de chaleur peuvent être utilisés pour la climatisation, la climatisation sous-marine, le

stockage solaire, la récupération de calories...

L'échangeur de chaleur, tel qu'il est décrit précédemment présente quelques inconvénients dans le cas

o le corps chaud est un matériau subissant une solidifi-

cation lors de l'échange de chaleur et le corps froid un

fluide subissant une vaporisation.

En effet, dès la mise en contact du matériau calostockeur en fusion et du fluide, par l'intermédiaire des surfaces d'échange thermique, le matériau se solidifie en libérant brusquement une grande quantité de chaleur qui entraîne une rapide vaporisation du fluide, donc une forte augmentation de la pression gazeuse. Il apparaît alors, de façon irrégulière, de grosses bulles de vapeur qui

obstruent momentanément la ou les conduites d'évacuation.

Par conséquent, le régime d'évaporation est instable (phé-

nomène en dents de scie).

Dans le cas particulier de climatiseurs pour plongeurs sous-marins autonomes, la ou les enceintes plon- gées dans le matériau calostockeur sont alimentées par une

fraction du débit d'eau de mer, fluide caloporteur, desti-

née au chauffage d'une combinaison de plongée. La vapeur

qui en sort se condense dans un mélangeur, de façon irré-

gulière. Il en résulte des oscillations importantes du dé-

bit du fluide caloporteur et de la température. Cette ap-

plication particulière ne permet pas d'envisager des mé-

thodes classiques de régulation de la température et du débit du fluide caloporteur car le poids et l'encombrement

de l'échangeur de chaleur sont limités.

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur qui remédie à ces inconvénients et notamment permet de réguler le débit et la température du fluide

caloporteur par des moyens de mise en oeuvre simples.

Cet échangeur de chaleur comprenant une première enceinte au sein de laquelle a lieu un apport de calories, en contact thermique avec au moins une deuxième enceinte au sommet de laquelle arrive un fluide caloporteur froid à l'état liquide et au moins une conduite placée dans la deuxième enceinte par laquelle sort le fluide sous forme de vapeur ou de mélange liquide-vapeur, se caractérise en

ce que la deuxième enceinte comporte un garnissage permet-

tant de réguler l'écoulement du fluide jusqu'au bas de la deuxième enceinte, et la transformation partielle dudit fluide en vapeur pouvant s'échapper par la conduite percée

à cet effet de trous sur toute sa hauteur.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le garnissage de la deuxième enceinte est formé d'anneaux en céramique, empilés en vrac les uns sur les autres et en

contact direct avec ladite enceinte.

Selon une autre caractéristique de l'invention,

le garnissage de la deuxième enceinte est formé de pla-

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teaux en métal, compatible avec le fluide caloporteur, perforés, régulièrement espacés les uns des autres, et

solidaires de la conduite.

Cet échangeur de chaleur autonome peut être uti-

lisé dans n'importe quelle position, ce qui implique une certaine fixité du garnissage: remplissage complet de la deuxième enceinte à l'aide des anneaux en céramique, ou

soudure des plateaux perforés à la conduite.

Selon une autre-caractéristique de l'invention, l'apport de calories est réalisé à l'aide d'un sel fondu à chaleur latente de fusion élevée, stocké dans la première enceinte.

Dans le cas présent, le sel fondu est un maté-

riau à chaleur latente de fusion élevée, choisi parmi les fluorures, les chlorures et les hydroxydes des métaux alcalins et alcalino-terreux et les mélanges eutectiques

de ces matériaux.

Que le garnissage conforme à l'invention soit

réalisé à l'aide de plateaux métalliques perforés ou d'an-

neaux en céramique, la formation régulière de vapeur au

lieu de grosses bulles de vapeur est grandement facilitée.

La formation de cette vapeur permet une meilleure et rapi-

de stabilisation (environ quelques secondes au lieu de plusieurs minutes) de la température et du débit du fluide caloporteur. De plus, la surface en contact avec le fluide caloporteur est suffisamment grande pour piéger les dépôts transportés par ce fluide. Dans le cas particulier

d'échangeur pour climatiseur autonome, le fluide calopor-

teur utilisé est de l'eau de mer, ce qui entraîne un en-

tartrage rapide des différentes pièces constituant l'échangeur. En conséquence, l'échangeur de chaleur doit être facilement démontable en vue d'un nettoyage complet,

ce qui est le cas ici.

Dans toute la suite du texte on décrira des exemples dans lesquels la deuxième enceinte ne comporte qu'une conduite secondaire, mais il est bien entendu que

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l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation et

qu'elle s'applique aussi bien au cas o plusieurs condui-

tes secondaires seraient employées en parallèle.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention ressortiront mieux à l'aide de la description qui

va suivre, donnée à titre purement illustratif et non li-

mitatif, en référence aux figures annexées dans lesquel-

les: - la figure 1 représente schématiquement un

échangeur de chaleur pour climatiseur de plongeur auto-

nome; - la figure 2 représente schématiquement une

partie de l'échangeur de chaleur de la figure 1, dans la-

quelle conformément à un premier mode de réalisation de

l'invention, le garnissage de l'enceinte est formé de pla-

teaux métalliques perforés; - la figure 3 représente schématiquement une

partie de l'échangeur de chaleur de la figure 1, dans la-

quelle conformément à un deuxième mode de réalisation de

l'invention, le garnissage de l'enceinte est formé d'an-

neaux en céramique.

La figure 1 représente un échangeur de chaleur.

Le fluide caloporteur avant de pénétrer dans l'échangeur de chaleur arrive par un conduit 1 au niveau d'une vanne trois voies 2. Cette vanne 2 est reliée à une sonde de

mesure de température 3 permettant de réguler la propor-

tion de fluide à réchauffer et de fluide froid au cours du temps. La partie du fluide à réchauffer pénètre dans une

des enceintes formant l'échangeur de chaleur. Cette en-

ceinte peut être centrale 4 et/ou latérale 4a. Cette ou

ces enceintes sont en contact direct avec le matériau ca-

lostockeur 5 placé dans une autre enceinte 6. La ou les enceintes 4 et 4a contiennent respectivement une conduite 7 et 7a permettant l'évacuation de la vapeur formée. Cette

vapeur est dirigée sur un mélangeur trois voies 8 o arri-

ve en outre la proportion du fluide caloporteur non ré-

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chauffé. Le fluide caloporteur sortant arrive dans une ca-

pacité tampon 9 permettant la régulation du débit du flui-

de caloporteur directement utilisable.

La figure 2 représente, dans un premier mode de réalisation, une enceinte 4 de l'échangeur de chaleur dans laquelle circule le fluide à réchauffer. Cette enceinte comprend une canalisation 1 permettant l'entrée du fluide dans cette enceinte et un garnissage qui, dans ce premier mode de réalisation, est formé de plateaux métalliques perforés 11, soudés à une conduite 7 percée de petits trous 10 sur toute sa hauteur, garnissage facilitant la transformation du fluide en vapeur pouvant s'échapper par les trous 10 de la conduite 7. Cette enceinte est, en

outre, en contact direct avec le matériau calostockeur 5.

La figure 3 représente, dans un deuxième mode de

réalisation, la même enceinte 4 de l'échangeur de chaleur.

Les parties communes à la figure 2 gardant les même numé-

ros de référence, ne feront pas l'objet d'une deuxième

description.

Dans ce deuxième mode de réalisation, le garnis-

sage est formé de petits anneaux en céramique lla, empilés en vrac les uns sur les autres, anneaux dont on a dessiné

un exemplaire plus détaillé pour mieux voir la forme.

Une description générale du fonctionnement de

l'échangeur de chaleur permettra de mieux comprendre l'in-

vention. Le fluide caloporteur froid arrive par le conduit 1 dans la vanne trois voies thermostatée 2. Une partie seulement du fluide est réchauffée dans l'échangeur de chaleur tandis que l'autre partie est dirigée vers le mélangeur 8. Le fluide froid arrive en haut de ou des enceintes 4 et 4a, en contact thermique avec l'enceinte 6 contenant le sel fondu chaud. Au contact de cette source de chaleur, une partie du fluide se transforme en vapeur au moyen du garnissage précité. Cette vapeur s'échappe

alors par la conduite 7 percée à cet effet de trous diamé-

tralement opposés. La partie du fluide non vaporisée peut s'écouler facilement grâce au garnissage jusqu'au bas de la conduite, jusqu'à ce qu'elle se vaporise à son tour et s'échappe par ladite conduite. Le fluide ainsi réchauffé arrive dans le mélangeur 8, puis dans la capacité tampon 9 permettant de réguler le débit du fluide caloporteur. L'échangeur de chaleur selon l'invention, grâce à son garnissage formé de petites surfaces métalliques ou non, permet une rapide stabilisation de la température et

du débit du fluide caloporteur.

Au fur et à mesure que le fluide caloporteur arrive dans l'échangeur et se réchauffe, le sel fondu se solidifie et se refroidit; ceci entraîne une diminution de la température du fluide caloporteur réchauffé au cours du temps. A cet effet, la vanne 2 thermostatée permet de réguler la proportion de fluide chaud et de fluide froid,

donc le débit d'eau à utiliser pour obtenir une températu-

re constante du début jusqu'à la fin de la manipulation.

A titre d'exemple, des essais ont été réalisés avec comme fluide caloporteur de l'eau froide et comme matériau calostockeur un mélange eutectique de fluorure et

d'hydroxyde de lithium fondant à 4500C.

Pour une masse de 600 grammes (g) de ce mélange et un débit d'eau froide à 150C de 60 1/h, on a obtenu de l'eau chaude à 500C. Cette élévation de température de

l'eau correspond à une puissance disponible de 2,7 KW.

Claims

REVENDICATIONS

1. Echangeur de chaleur comprenant une première

enceinte (6) au sein de laquelle a lieu un apport de calo-

ries, en contact thermique avec au moins une deuxième en-

ceinte (4 ou.4a),- au sommet de laquelle arrive un fluide caloporteur froid à l'état liquide et au moins une condui- te (7 ou 7a), placée dans la deuxième enceinte (4 ou 4a), par laquelle sort le fluide sous forme de vapeur ou du mélange liquide-vapeur, caractérisé en ce que la deuxième

enceinte (4 ou 4a) comporte un garnissage (11 ou lla) per-

mettant de réguler l'écoulement du fluide jusqu'au bas de

la deuxième enceinte (4 ou 4a) et la transformation par-

tielle dudit fluide en vapeur pouvant s'échapper par la conduite (7 ou 7a) , percée à cet effet de trous (10) sur

toute sa hauteur.

2. Echangeur de chaleur selon la revendi-

cation 1, caractérisé en ce que le garnissage de la

deuxième enceinte (4 ou 4a) est formé d'anneaux en cérami-

que (lla), empilés en vrac les uns sur les autres, et en

contact direct avec ladite enceinte.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication

1, caractérisé en ce que le garnissage de la deuxième en-

ceinte (4 ou 4a) est formé de plateaux en métal (11),

compatible avec le fluide caloporteur, perforés, réguliè-

rement espacés les uns des autres, et solidaires de la

conduite (7 ou 7a).

4. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque

des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'apport

de calories est réalisé à l'aide d'un sel fondu (5), à chaleur latente de fusion élevée, stocké dans la première

enceinte (6).