FR2475918A1 - METHOD AND DEVICE FOR INCREASING THE CALORIFIC POWER OF EVAPORATOR - Google Patents
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Abstract
SELON CE PROCEDE, EN VUE DE RENDRE MAXIMUM LA PUISSANCE THERMIQUE, ON MODIFIE LA VITESSE MASSIQUE LE LONG DES TUBES 1 DE L'EVAPORATEUR, PARCOURUS PAR LE FLUIDE CALOPORTEUR, DE MANIERE A OBTENIR, EN TOUT ENPLACEMENT LE LONG DE L'EVAPORATEUR, UNE CHARGE CALORIFIQUE SUPERFICIELLE APPROXIMATIVEMENT UNIFORME DE LA SURFACE DES TUBES 1, ET CE, EN UTILISANT DES INSERTS 2, 2, 2 DISPOSES DANS LES TUBES ENTRE L'ENTREE 7 ET LA SORTIE 8 DU FLUIDE. APPLICATION NOTAMMENT AUX EVAPORATEURS A FAISCEAU TUBULAIRE.ACCORDING TO THIS PROCEDURE, WITH A VIEW TO GIVING MAXIMUM THERMAL POWER, THE MASS SPEED IS MODIFIED ALONG THE TUBES 1 OF THE EVAPORATOR, BROUGHT THROUGH THE CALOPORANT FLUID, SO AS TO OBTAIN, WHILE LOCATED ALONG THE EVAPORATOR, A APPROXIMATELY UNIFORM SURFACE HEAT LOAD OF THE SURFACE OF TUBES 1, AND THIS, USING INSERTS 2, 2, 2 PROVIDED IN THE TUBES BETWEEN INLET 7 AND OUTLET 8 OF THE FLUID. APPLICATION IN PARTICULAR TO TUBULAR BEAM EVAPORATORS.
Description
24759 1 824759 1 8
L'invention concerne un procédé et un dispositif The invention relates to a method and a device
pour accroître la puissance de transfert thermique d'évapo- to increase the heat transfer power of evapo-
rateurs, notamment d'évaporateurs à faisceau tubulaire. including tube bundle evaporators.
On sait qu'en pratique dans le cas des évaporateurs, le fluide caloporteur pénètre dans chaque tube de l'évapora- teur avec un titre de vapeur compris entre environ O % et %, le terme "titre de vapeur" désignant le rapport du débit massique de la vapeur au débit massique total. A l'extrémité du tube de l'évaporateur, le fluide caloporteur est totalement vaporisé, c'est-à-dire que le titre de vapeur It is known that in practice in the case of evaporators, the coolant enters each evaporator tube with a vapor head of between about 0% and%, the term "vapor head" denoting the ratio of the flow rate mass of steam at total mass flow. At the end of the evaporator tube, the heat transfer fluid is completely vaporized, that is to say that the vapor
est égal à 100 %.is equal to 100%.
Lorsque la vaporisation augmente, la vitesse d'écou- As vaporization increases, the speed of
lement augmente également le long du tube considéré et tant la chute de pression dp/dl, que le coefficient de transmission thermique a possèdent des valeurs différentes le long du tube. On sait en outre que, lorsque la longueur du tube, qui est parcourue, augmente et par conséquent lorsque la It also increases along the tube under consideration and both the pressure drop dp / dl and the heat transfer coefficient a have different values along the tube. It is furthermore known that when the length of the tube, which is traveled, increases and therefore when the
vitesse massique augmente, le coefficient moyen de trans- mass velocity increases, the average coefficient of trans-
mission thermique à augmente. La perte de pression totale thermal mission to increase. The total pressure loss
Ap augmente également fortement et ceci réduit la différen- Ap also increases sharply and this reduces the difference
ce de température moyenne As dans l'évaporateur. Etant donné que la puissance calorifique transmise est proportionnelle à a x AE, on obtient une longueur optimale déterminée du tube pour un cas déterminé d'utilisation. Cette longueur optimale du tube ne peut cependant pas être respectée dans de nombreux cas techniques d'utilisation, pour des raisons this of average temperature As in the evaporator. Since the heat transfer power is proportional to a x AE, a determined optimal length of the tube is obtained for a given case of use. This optimal length of the tube can however not be respected in many technical cases of use, for reasons
de construction ou de fabrication.construction or manufacturing.
Afin d'améliorer la puissance de transfert thermique, In order to improve the heat transfer power,
il est déjà connu de doubler la section transversale d'écou- it is already known to double the cross-section of
lement pour le fluide caloporteur, au bout d'une certaine for the heat transfer fluid, after a certain
longueur de tube, en créant des bifurcations. Cette disposi- length of tube, creating bifurcations. This provision
tion peut entraîner dans de nombreux cas une amélioration, mais ne permet pas de réaliser une optimisation véritable, In many cases, this may lead to an improvement, but does not allow real optimization,
ni d'accroître au maximum la puissance de transfert ther- to maximize the heat transfer power
mique. On connaît déjà également différents types d'inserts internes au tube et qui s'étendent au moins sur une partie nomic. Various types of inserts inside the tube that are at least partly
de la longueur du tube véhiculant le fluide caloporteur. the length of the tube carrying the coolant.
A l'aide de ces inserts, on peut agir sur la vitesse du flui- With these inserts, we can influence the speed of
de caloporteur et on peut, de ce fait, améliorer la puissance de transfert thermique. Cependant, dans le cas de ces inserts internes au tube et réalisés par exemple sous la forme d'hélices, un inconvénient réside surtout dans le fait que coolant and can, therefore, improve the heat transfer power. However, in the case of these inserts internal to the tube and made for example in the form of propellers, a disadvantage lies mainly in the fact that
ces inserts provoquent l'apparition d'états d'écoulement em- these inserts cause the appearance of flow conditions em-
brouillés et confus, qui empêchent un calcul de la puissance scrambled and confused, which prevent a calculation of the power
de transfert thermique de l'ensemble de l'évaporateur. heat transfer of the entire evaporator.
La présente invention a pour but de créer un procédé du type défini plus haut, permettant d'obtenir, de la façon désirée, la puissance de transfert thermique la plus élevée The present invention aims to create a method of the type defined above, to obtain, in the desired manner, the highest heat transfer power
possible, indépendamment de la longueur du tube. possible, regardless of the length of the tube.
Ce problème est résolu conformément à l'invention This problem is solved according to the invention
grâce au fait que, dans le but de rendre maximum la puissan- thanks to the fact that in order to maximize the power of
ce de transfert thermique, on modifie la vitesse massique le long des tubes de l'évaporateur de manière que soit fournie, en tout emplacement, une charge calorifique superficielle With this heat transfer, the mass velocity along the evaporator tubes is changed so that a superficial heat load is provided at any location.
au moins approximativement uniforme à la surface du tube. at least approximately uniform on the surface of the tube.
On peut rendre maximum la puissance de transfert ther- The heat transfer power can be maximized
mique notamment lorsque la chaleur est transmise par con- especially when heat is transmitted by
vection pure de la paroi du tube au fluide caloporteur. La zone de l'ébullition, qui dans des évaporateurs d'un type de construction antérieur, apparaissait dans le domaine des faibles titres de vapeur et soumettait à contrainte une partie importante de la longueur du tube en raison du coefficient de transmission thermique, relativement faible, pure vection of the tube wall to the coolant. The boiling zone, which in evaporators of a prior type of construction, appeared in the low vapor range and stressed a substantial part of the tube length due to the relatively low thermal transmittance ,
se trouve évitée (voir le document VDI-Wârmeatlas, paragra- is avoided (see document VDI-Warmeatlas, para.
phes Ha, Hb).phes Ha, Hb).
Conformément à l'invention, on règle la vitesse massique et le diamètre hydraulique équivalent du tube de According to the invention, the mass velocity and the equivalent hydraulic diameter of the
manière à obtenir, le long du tube, une valeur optimale cons- in order to obtain, along the tube, an optimum value
tante pour le gradient de pression et pour le coefficient de aunt for the pressure gradient and for the coefficient of
transmission thermique.thermal transmission.
On met en oeuvre le procédé conforme à l'invention en utilisant des inserts internes aux tubes et s'étendant au moins sur une partie de la longueur des tubes véhiculant le fluide caloporteur, et ce de telle manière que la section transversale libre de l'écoulement dans chaque tube est accrue, par au moins un insert dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur,depuis une surface de valeur minimale The method according to the invention is implemented by using inserts internal to the tubes and extending at least over a portion of the length of the tubes carrying the coolant, and this so that the free cross section of the flow in each tube is increased, by at least one insert in the flow direction of the coolant, from a surface of minimum value
laissant passer au moins le fluide caloporteur essentielle- leaving at least the heat transfer fluid essential-
ment sous forme liquide jusqu'à une surface de valeur maxima- in liquid form to a surface of maximum value.
le laissant passer au moins le fluide caloporteur essentiel- allowing it to pass at least the coolant essential-
lement sous forme de vapeur.in the form of steam.
Lors de la détermination de la taille de l'élargisse- When determining the size of the enlargement
ment de la section transversale libre d'écoulement, on prend en compte les critères du procédé conforme à l'invention visant à obtenir la puissance de transfert thermique maximum, et ce de préférence sur une base de calcul, étant donné que précisément un avantage essentiel de l'invention doit être of the flow-free cross-section, the criteria of the method according to the invention for obtaining the maximum heat transfer power are taken into account, and preferably on a calculation basis, since it is precisely an essential advantage of the invention must be
vu dans le fait qu'en raison de la géométrie simple et défi- seen in the fact that because of the simple and definite geometry
nie et des états d'écoulement,qui de ce fait sont bien nets, les évaporateurs deviennent accessibles au calcul. Toutefois ceci ne doit pas exclure le fait que l'on calcule le maximum recherché de la puissance de transfert thermique en tenant and flow states, which are therefore very clear, the evaporators become accessible to the calculation. However, this should not exclude the fact that the desired maximum of heat transfer power is calculated by taking into account
compte des données de l'invention, en effectuant des essais. account of the data of the invention, by carrying out tests.
Comme inserts internes aux tubes on utilise de pré- As inserts inside the tubes, it is preferable
férence des organes de refoulement ou de déplacement fermés, closed displacement or displacement organs,
mais en principe, en vue de réaliser un dispositif conçu con- but in principle, with a view to producing a device designed
formément à l'invention, on peut également utiliser de façon appropriée n'importe quelstypesd'organesde refoulement, dans la mesure o ils permettent de prédéterminer de la façon requise la section transversale libre de l'écoulement du according to the invention, any types of discharge members may also be suitably used, provided that the free cross-section of the flow of the flow can be pre-determined in the required manner.
fluide caloporteur le long du tube.coolant along the tube.
Dans la pratique il peut être avantageux d'utiliser des organes de refoulement constitués par plusieurs éléments In practice it may be advantageous to use delivery members consisting of several elements
de tubes se succédant directement et maintenus de préfé- of tubes succeeding each other directly and maintained
rence coaxialement dans le tube respectif véhiculant le coaxially in the respective tube conveying the
fluide caloporteur, lesdits éléments de tubes ayant un dia- heat transfer fluid, said tube elements having a di-
mètre diminuant d'une façon étagée pouvant être prédétermi- meter decreasing in a stepped way that can be predefined
née, dans le sens de l'écoulement du fluide caloporteur. born, in the direction of the flow of heat transfer fluid.
A titre de variante avantageuse du point de vue de la fabrication et du montage, il faut également mentionner As an advantageous variant from the point of view of manufacture and assembly, it is also necessary to mention
l'utilisation d'organes de refoulement individuels possé- the use of individual delivery devices
dant des surfaces en section transversale différentes les with different cross-sectional areas
unes des autres, et qui peuvent être disposés dans les sec- each other, and which can be arranged in the
tions rectilignes d'un tube réalisé en forme de serpentin rectilinear sections of a tube made in a serpentine
traversant un paquet de lamelles.crossing a pack of slats.
A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés plusieurs exemples de By way of example, hereinafter and schematically illustrated in the accompanying drawings, there are described several examples of
réalisation de l'objet de l'invention. accomplishment of the object of the invention.
La figure l est une représentation schématique d'une première forme de réalisation de l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'une Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the invention. Figure 2 is a schematic representation of a
seconde forme de réalisation de l'invention. second embodiment of the invention.
Conformément à la figure 1, un tube 1 d'évaporateur est guidé, de façon usuelle à la manière d'un serpentin, à travers un paquet de lamelles. Dans les sections droites de ce tube 1 sont insérés des organes de déplacement ou de refoulement 2, 2', 2" réalisés sous la forme de tubes fermés à leurs extrémités, cependant qu'une fixation en position coaxiale par rapport au tube 1 est assurée par des appendices According to Figure 1, an evaporator tube 1 is routinely guided in the manner of a coil, through a pack of slats. In the straight sections of this tube 1 are inserted displacement or discharge members 2, 2 ', 2 "made in the form of closed tubes at their ends, while a fixing in the coaxial position with respect to the tube 1 is ensured. by appendices
5 qui sont réalisés de préférence par des déformations loca- 5 which are preferably made by local deformations
les limitées du tube. Etant donné que les coudes du tube ne the limited of the tube. Since the elbows of the tube
participent que de façon insignifiante au transfert thermi- participate insignificantly in the heat transfer
que, il n'est pas nécessaire de disposer à cet endroit des that it is not necessary to have at that place
organes de refoulement.pushing organs.
Les organes de refoulement 2, 2', 2", qui possèdent The delivery members 2, 2 ', 2 ", which possess
des tailles différentes,c'est-à-dire dont les sections trans- different sizes, that is to say of which the trans-
versales ont des surfaces différentes, déterminent,-pour le versales have different surfaces, determine, -for the
fluide caloporteur pénétrant en 7, des sections transversa- penetrating heat transfer fluid at 7, transverse sections
les libres d'écoulement -variables sur toute l'étendue de la longueur du tube. Ainsi au début du tube 1, l'organe de refoulement 2 détermine une fente annulaire 3 possédant une largeur relativement faible, qui a pour effet d'accroître la vitesse massique (kg/m2,s) ou la vitesse d'écoulement et de réduire le diamètre hydraulique équivalent. Ceci contribue à accroître le coefficient de transmission thermique et la flow free -variable throughout the length of the tube. Thus at the beginning of the tube 1, the discharge member 2 determines an annular slot 3 having a relatively small width, which has the effect of increasing the mass velocity (kg / m 2, s) or the flow velocity and reducing the equivalent hydraulic diameter. This contributes to increasing the heat transfer coefficient and the
chute de pression.pressure drop.
On règle la largeur de la fente ou la section trans- We adjust the width of the slot or the trans-
verqle libre d'écoulement de manière à obtenir le gradient flow free verqle in order to obtain the gradient
de pression dp/dl optimal et le coefficient moyen de trans- optimum dp / dl pressure and the average transmission coefficient
mission thermique a maximal possible. Thermal mission has maximum possible.
Afin que cette valeur optimale du gradient de pres- So that this optimal value of the gradient of pres-
sion soit également assurée dans la partie ultérieure du also be ensured in the later part of the
tube, il faut accroître la section transversale libre d'écou- tube, it is necessary to increase the free cross-section of
lement en tenant compte de la vaporisation croissante, ce que l'on obtient au moyen d'une réduction de la surface en section transversale des organes de refoulement 2' et 2", taking into account the increasing vaporisation, which is obtained by means of a reduction in the cross-sectional area of the delivery members 2 'and 2 ",
qui se succèdent dans le sens de l'écoulement du fluide calo- which follow one another in the direction of the flow of
porteur. On peut utiliser ce principe avec succès pour des longueurs relativement importantes de tubes, ce qui permet par exemple, déjà pour un titre de vapeur d'environ carrier. This principle can be used successfully for relatively long lengths of tubes, which allows, for example, already for a vapor head of about
%, de se passer de l'utilisation d'un organe supplémentai- %, to dispense with the use of an additional body
re de refoulement. Ceci est indiqué sur la figure 1 -avec de la dernière section 4 du tube, dans laquelle il n'y a repression. This is shown in Figure 1 -with the last section 4 of the tube, in which there is
plus besoin de disposer un organe de refoulement et de la- no need to have an organ of repression and
quelle s'échappe, en 8, le fluide caloporteur pratiquement which escapes, in 8, the heat transfer fluid practically
complètement vaporisé.completely vaporized.
Au lieu d'utiliser des organes individuels de refou- Instead of using individual organs of refu-
lement possédant des surfaces en section transversale diffé- have different cross-sectional areas
rant les unes des autres, on peut également utiliser, con- of each other, it is also possible to use,
formément à une autre variante de réalisation de l'invention, according to another variant embodiment of the invention,
des inserts internes au tube et qui sont à nouveau réali- inserts internal to the tube and which are again made
sés sous la forme d'organes de refoulement fermés, mais qui sont constitués par plusieurs éléments de tubes successifs in the form of closed delivery members, but which consist of several successive tube elements
9, 10, 11, 12 possédant des diamètres étagés. Ceci est repré- 9, 10, 11, 12 having stepped diameters. This is represented
senté schématiquement sur la figure 2. schematically in Figure 2.
De même dans le cas de cette forme de réalisation, on obtient par conséquent une section transversale libre d'écoulement qui augmente suivant le sens de l'écoulement, Likewise in the case of this embodiment, a flow-free cross-section is thus obtained which increases in the direction of the flow,
l'accroissement de cette section transversale libre d'écoule- the increase of this free cross-section of
ment et la diminution de la surface correspondante en sec- and the decrease in the corresponding area in sec-
tion transversale de l'organe de refoulement étant réalisées cross section of the delivery member being realized
conformément aux prescriptions de conception et de dimension- in accordance with the design and dimensional requirements
nement fournies par le procédé conforme à l'invention. provided by the process according to the invention.
Le principe de la prédétermination de sections trans- The principle of the predetermination of trans-
versales libres déterminées d'écoulement pour le fluide caloporteur envoyé à un tube d'évaporateur, peut être non seulement mis en oeuvre au moyen d'organes de refoulement choisis de façon particulière, mais il est également possible free flow direction for the heat transfer fluid sent to an evaporator tube, can be not only implemented by means of discharge members selected in a particular way, but it is also possible
de brancher en parallèle. au moins sur des sections par- to connect in parallel. at least on separate sections
tielles du tube considéré. d'évaporateur, un circuit sup- of the tube in question. evaporator, a circuit
plémentaire du fluide caloporteur,et le fluide caloporteur of the coolant, and the heat transfer fluid
circulant dans ce circuit supplémentaire réduit, dans la sec- circulating in this reduced supplementary circuit, in the
tion partielle considérée, la section transversale libre d'écoulement présente pour le fluide caloporteur envoyé au considered, the flow-free cross-section for the heat transfer fluid sent to the
total dans le tube considéré de l'évaporateur,et ce d'une ma- total in the tube considered of the evaporator, and that of a
nière pouvant être prédéterminée par le dimensionnement du which may be predetermined by the design of the
circuit supplémentaire respectif.additional circuit.
Dans toutes les formes de réalisation pratiques et In all practical and
dans toutes les mises en oeuvre pratiques du procédé confor- in all practical implementations of the process in accordance
me à l'invention, il faut cependant que soit garanti que la vitesse massique est modifiée de telle manière qu'en tout emplacement le long de l'évaporateur se trouve appliquée une charge calorifique approximativement uniforme sur la surface du tube, étant donné que c'est seulement de cette manière que l'on peut, de la façon recherchée, accroître de In the invention, however, it must be ensured that the mass velocity is varied so that at any location along the evaporator an approximately uniform heat load is applied to the surface of the tube, since only in this way can one, in the desired way, increase
manière maximale la puissance de transfert thermique, con- maximally the heat transfer power,
formément à la présente invention. according to the present invention.
Selon une variante de réalisation de l'invention, chaque insert 2 peut être réalisé sous la forme d'un organe de refoulement dont la section transversale est en forme d'étoile. According to an alternative embodiment of the invention, each insert 2 can be made in the form of a discharge member whose cross section is in the form of a star.
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