FR2572799A1 - Echangeur de chaleur a reseau de caloducs - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN ECHANGEUR DE CHALEUR POUR TRANSFERER DE LA CHALEUR ENTRE DES PREMIER ET SECOND FLUIDES AYANT DES TEMPERATURES DIFFERENTES. CET ECHANGEUR EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UNE PLURALITE DE CALODUCS AYANT CHACUN UNE PREMIERE BRANCHE 18, SENSIBLEMENT HORIZONTALE, LOGEE DANS LA PREMIERE ENVELOPPE 12, UNE SECONDE BRANCHE, SENSIBLEMENT HORIZONTALE, LOGEE DANS LA SECONDE ENVELOPPE 14 ET UNE BRANCHE DE LIAISON 22 DISPOSEE ENTRE ELLES, CHACUNE DES PREMIERES BRANCHES 18 ETANT DISPOSEE A UN NIVEAU INFERIEUR A CELUI DE LA SECONDE BRANCHE QUI LUI EST RELIEE, LA PREMIERE BRANCHE 18 SITUEE LE PLUS PRES DE L'ORIFICE D'ENTREE 32 ETANT RELIE A LA SECONDE BRANCHE LA PLUS PROCHE DE L'ORIFICE DE SORTIE 4, TANDIS QUE LA PREMIERE BRANCHE 18 LA PLUS PROCHE DE L'ORIFICE DE SORTIE 34 EST RELIEE LE LA SECONDE BRANCHE LA PLUS PROCHE DE L'ORIFICE D'ENTREE 42.

Description

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur et plus

particulièrement une pluralité de caloducs qui assurent un transfert effectif de chaleur 3 partir d'une source vers un consommateur de cette chaleur. Uin caloduc est une simple chambre fermée ou étanche, statique du point de vue mécanique, contenant un fluide de

travail ayant à la fois une phase liquide et une phase va-

peur dans la gamme désirée des températures de fonctionne-

ment. Dans un tel caloduc, l'air ou d'autres gaz non con-

densables sont habituellement évacués de la chambre étan-

che. Cette chambre contient alors uniquement la phase liqui-

de et la phase vapeur du fluide de travail à une pression

correspondant à la pression de saturation du fluide de tra-

vail à la température du caloduc. Lorsqu'une partie de la chambre contenant le liquide est soumise à une température relativement élevée, :elle fonctionne en tant que section

d'évaporateur. L'écoulement de chaleur qui en résulte en-

traine l'apparition d'une évaporation ce qui se traduit à 2Q son tour par un accroissement de la pression de vapeur du fluide de travail. La vapeur ainsi formée qui se trouve à une pression plus élevée, s'écoule à son tour en direction

des zones plus froides de la chambre, définies comme cons-

tituant une section de condenseur, et elle se condense sur les surfaces relativement plus froides à l'intérieur de la paroi de la chambre. Un écoulement capillaire et/ou dt à la gravité provoque le retour du condensat liquide à la section d'évaporateur. Du fait que la chaleur de vaporisation est absorbée par le changement de phase de la phase liquide à la phase vapeur et que cette chaleur est libérée lorsque la condensation de la vapeur a lieu, de grandes quantités de

chaleur peuvent être transférées, avec de très petits gra-

dients de température, à partir de zones à addition de

chaleur en direction de zones h extraction de chaleur.

Les caloducs sont généralement réalisés sous la forme de tubes individuels qui peuvent être regroupés en paquet lorsqu'une capacité additionnelle est exigée. Ces

caloducs sont utilisés pour le chauffage et le refroidisse-

ment de divers dispositifs ou structures. Par exemple les brevets US-3 865 184 et 4 440 215 illustrent l'utilisation de caloducs dans un régénérateur afin d'assurer un échange de chaleur entre de l'air d'admission lorsqu'il pénètre dans une enceinte, et de l'air d'échappement lorsqu'il s'écoule hors de cette enceinte. Généralement ces caloducs sont dis- posés dans une enveloppe, suivant un réseau horizontal, avec des mèches facilitant le transport du liquide du condenseur

à l'évaporateur. Cependant les caloducs peuvent être cons-

truits sans ces mèches si la section du condenseur se trouve

à un niveau légèrement plus haut que la section de l'évapo-

rateur. Suivant la technique antérieure les fluides de la

source et du consommateur s'écoulent typiquement transver-

salement par rapport à l'axe longitudinal des caloduos mais dans la même direction. Dans d'autres dispositifs connus les caloducs de l'évaporateur sont reliés à un collecteur commun tandis que les caloducs du condenseur sont reliés à un autre collecteur commun,.ces deux collecteurs étant en communication pour le transfert du fluide.Par conséquent- ces caloducs se trouvent à la même pression et sont branches

suivant une disposition à écoulement parallèle. Cet écoule-

ment parallèle est un facteur principal pour le faible ren-

dement de tels échangeurs de chaleur à calodue conçus anté-

rieurement. Ce faible rendement est provoqué par une diffé-

rence de température non uniforme entre les deux fluides qui

résultent d'une disposition avec un écoulement parallèle.

Cependant une disposition avec un écoulement à contre-cou-

rant tire parti de la différence de température plus unifor-

me entre les courants de fluide de la source et du consom-

mateur, ce qui permet d'utiliser de la manière la plus effi-

cace la surface de transfert de chaleur.

Ainsi il est fortement désirable de fournir un

échangeur de chaleur qui surmonte les problèmes des échan-

geurs de chaleur à caloduc conçus antérieurement en ce qui concerne leur rendement inférieur au transfert de chaleur

maximal.

La présente invention vise un changeur de chaleur h réseau de caloducs amélioré qui permet d'augmenter le rendement de l'échangeur de chaleur grâce à la prévision

d'une disposition de l'écoulement à contre-courant.

Suivant une forme d'exécution préférée de l'inven- tion une première enveloppe formant condenseur, laquelle est pourvue d'un orifice d'entrée et d'un orifice de sortie, est traversée par l'écoulement du fluide de refroidissement,

une enveloppe de vaporisation, pourvue également d'un orifi-

1) ce d'entrée et d'un orifice de sortie, est traversée par l'écoulement du fluide de chauffage et un réseau de

caloducs comprend une section de condensation située au-

dessus d'une section de vaporisation. Le- fluide de vaporisa-

tion chaud, pénétrant à travers l'orifice d'entrée s'écoule en premier lieu- en travers du tube le plus proche de cet

orifice dans la section de vaporisation du réseau de calo-

ducs et il s'écoule ensuite en travers des autres caloducs jusqu'au caloduc le plus éloigné, pour être ensuite évacué à travers l'orifice de sortie. Dans la section de condensation un fluide de refroidissement pénètre à travers l'orifice

d'entrée et s'écoule en premier en travers du tube de calo-

duc le plus proche de cet orifice, lequel communique avec le tube du caloduc de la section de vaporisation qui est le

plus proche de l'orifice de sortie, et le fluide de refroi-

dissement s'écoule ensuite en travers des autres caloducs

pour être évacué à travers l'orifice de sortie du conden-

seur. Par conséquent on obtient ainsi une disposition à contre-courant du fait que chaque caloduc peut être à une pression différente et que la section de caloduc qui est la 3I plus proche du fluide chaud-s'écoulant à travers l'orifice d'entrée de la section de vaporisation communique avec le caloduc qui est le plus proche du fluide chaud s'écoulant à travers l'orifice de sortie de la section de condensation,

tandis que la section de caloduc de la section de vaporisa-

tlion qui se trouve être la plus proche du fluide plus froid s'écoulant à travers l'orifice de sortie, communique avec la section de caloduc qui est la plus voisine du fluide plus froid s'écoulant à travers l'orifice d'entrée de la section dû condensation. Cette disposition û contrecourant entraîne la différence de température moyenne le plus uniforme pour les températures du fluide de la section de vaporisation et du fluide de la section de condensation, ce qui assure une utilisation efficace et d'une manière égale de toutes les

surfaces de transfert de chaleur.

OJn décrira ci-après,à titre d'exemples non limita-

tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en r4férence au dessin annexé sur lequel:

La figure 1 est une vue en coupe verticale schémati-

que d'un réseau de caloducs réalisé suivant l'invention.

La figure 2 est- une vue schématique de face de la

partie antérieure d'une forme d'exécution de l'invention.

La figure 3 est une vue schématique de face d'une

autre forme d'exécution de l'invention.

La figure 4 est une vue schématique de face d'une

autre variante d'exécution de l'invention.

Si on se réfère maintenant à la figure 1, on y voit un réseau de caloducs ayant la forme générale d'un C, pour assurer un échange de chaleur entre une enveloppe inférieure

ou source de chaleur 12 et une enveloppe supérieure ou con-

sommateur de chaleur 14. L'enveloppe supérieure 14 est constituée de plaques tubulaires 26 et 27 qui supportent la branche supérieure 28 de chaque caloduc et d'un couvercle 29 qui ferme hermétiquement les branches supérieures de chaque caloduc. Une section de liaison 22 est prévue de telle façon que la branche inférieure 18 et la branche supérieure 28 de chaque caloduc puissent se rejoindre pour former un tube scellé hermétiquement à ses deux extrémités. Il est à noter 3fl que les caloducs en forme de C peuvent être constitués en reliant ensemble des tronçons individuels ou bien encore en

cambrant une seule longueur de tube rectiligne.

L'enveloppe inférieure 12 comprend un orifice d'en-

trée 32 et un orifice de sortie 34 percés h travers elle utL travers ces orifices s'écoule un fluide de chauffage en contact d'échange thermique avec les branches inférieures 18 des caloducs. Par conséquent le fluide pénétrant dans l'enveloppe]12 S travers l'orifice d'entrée 32 est à

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une température plus élevée que le fluide sortant de l'ori-

fice de sortie 34. D'une manière correspondante l'enveloppe

supérieure 14 comprend un orifice d'entrée 42 et un orifi-

ce de sortie 44 h travers lesquels s'écoule un fluide de refroidissement. Ainsi le fluide pénétrant à travers l'ori- fice d'entrée 42 est-il plus froid que le fluide sortant à

travers l'orifice 44.

Ainsi chaque caloduc en forme de C du réseau de

tubes est constitué par un tube étanche contenant un liqui-

de vaporisabie et comportant quatre zones à savoir: a)

l'évaporateur dans lequel le fluide de travail 20 est vapo-

risé par la chaleur d'entrée s'écoulant à travers l'envelop-

pe inférieure 12; b) la section de liaison et de transport

de vapeur 22 à travers laquelle la vapeur s'écoule de l'éva-

porateur en direction de la branche supérieure 28 du conden-

seur; c) le condenseur ou branche supérieure 28 o la va-

peur abandonne sa chaleur et se condense pour former un liquide 30 (illustré par des gouttelettes) et d) la section de liaison ou de transport de liquide 22 dans laquelle le condensat liquide s'écoule en arrière pour retourner à la

branche inférieure 18 autrement dit à l'évaporateur.

Dans beaucoup de systèmes de pompe à chaleur/réfri-

gération à absorption des échangeurs de chaleur à haut ren-

dement de composant à composant sont nécessaires pour le fonctionnement du système. Il est également important qu'une différence de température approchant le minimum soit maintenue entre les fluides, ce qui nécessite un échange de

chaleur à contre-courant. La liaison thermique d'un fais-

ceau de tubes séparé en composants différents, dans les s0 configurations typiques d'échangeur de chaleur, devient

difficile à obtenir avec un dispositif de mise en circula-

tion du fluide secondaire conventionnel qui exige une pompe et qui entraîne de faibles températures et une puissance

parasite élevée.

La présente invention permet de résoudre ce problème lorsque, par exemple, l'enveloppe inférieure 12 est une source de chaleur ou un absorbeur et l'enveloppe supérieure

14 est un "puits" ou consommateur de chaleur ou un généra-

teur d'un syst me h absorption, en faisant en sorte qu'il y ait une association des tubes rangée par rangée dans une configuration decaloducs donnant lieu à un agencement de l'échange de chaleur à contrecourant se traduisant par une utilisation efficace de la surface et un écart de température faible. Dans l'absorbeur le fluide de travail 2q se trouvant dans le caloduc peut être vaporisé dans l'évaporateur ou la branche inférieure 18 du caloduc,ce qui a pour effet que les vapeurs résultantes s'écoulent ID vers le haut (ainsi qu'il est indiqué par les flèches),

à travers la section de liaison 22, vers la bran-

che supérieure 28, disposée dans le générateur du système à

absorption, o la vapeur est condensée sur les parois inter-

nes de la branche supérieure 28 puis retourne vers le bas, à travers la section de liaison 22, en direction de la branche

inférieure 18, afin de recommencer le cycle.

On comprendra que n'importe quel type approprié de fluide de travail peut être employé conjointement avec les conduits de chaleur, par exemple l'un de ceux connus sous le

) nom de "FREON", le méthanol, ou même encore l'eau.

Bien que les divers caloducs de l'échangeur de

chaleur illustré sur la figure 1 soient disposés générale-

ment dans un plan horizontal et en étant alignés vertica-

lement les uns au-dessus des autres, on comprendra que les branches supérieure et inférieure correspondantes ne doivent pas être nécessairement les unes au-dessus des autres pour un fonctionnement approprié. Les figures 2,3 et 4 donnent des exemples d'orientations différentes des réseaux de

conduits de chaleur. On comprendra cependant que les posi-

tions des branches horizontales dans l'enceinte 12 consti-

tuant la source de chaleur, par rapport aux positions de chaque branche correspondante dans l'enceinte 14 constituant le consommateur de chaleur, sont en relation inverse directe

avec les fluides de chauffage et de refroidissement péné-

trant dans et quittant les enceintes respectives. Ainsi la branche du caloduc qui est la plus proche de l'orifice 32 d'entrée du fluide arrivant chaud de la source de chaleur est reliée h la branche supérieure du caloduc qui -7 est ta plus proche de l'orifice44 de sortie du fluide de

départ chaud du consommateur de chaleur, tandis que la bran-

che inférieure du caloduc qui est la plus proche de l'orifi-

ce 34 de sortie du fluide plus froid quittant la source de chaleur est reliée h la branche supérieure du caloduc qui est la plus proche du de l'orifice 42 d'entrée du fluide plus froid pénétrant dans le consommateur de chaleur. Par conséquent une telle disposition des branches du réseau de conduits do chaleur par rapport aux fluides de chauffage là et de refroidissement s'écoulant à travers les enceintes

assurent un échange thermique à contre-courant.

REVEJIDICA TT In' S

1. Echangeur de chaleur pour transférer de la cha-

leur entre des premier et second fluides ayant des tempéra-

tures différentes caractérisé en ce qu'il comprend une pre-

miere enveloppe (12) ayant des orifices d'entrée (32) et de sortie (34) pour définir un trajet d'écoulement pour le

premier fluide h travers cette première enveloppe, une se-

conde enveloppe (].4) ayant des orifices d'entrée (42) et sortie (44) pour définir un trajet d'écoulement pour le

second fluide à travers cette seconde enveloppe, une plura-

ln litl de caloducs ayant chacun une première bran-

che (1I), sensiblement horizontale, logée dans la première

enveloppe (12), une seconde branche (28), sensiblement hori-

zontale, logée dans la seconde enveloppe (14) et une branche de liaison (22) disposé6e entre elles, chacune des premières branches (18) 'étant disposée à un niveau inférieur à celui de la seconde branche (28) qui lui est reliée, la première branche (18) située le plus près de l'orifice d'entrée (32) étant reliée à la seconde branche (28) la plus proche de l'orifice de sortie (34), tandis que la première branche 2q (18) la plus proche de l'orifice de sortie (34) est reliée à la seconde branche (28) la plus proche de l'orifice d'entrée (à2), et un fluide contenu dans chacun des caloducs, si bien que ce fluide transporte et transfère de la

chaleur entre les premier et second fluides.

2.- Echangeur de chaleur suivant la revendication

1 caractérisé en ce que le second fluide s'écoulant à tra-

vers la seconde enveloppe (14) est un consommateur de cha-

leur tandis que le premier fluide s'écoulant à travers la

première enveloppe (12) est une source de chaleur.

3r 3.- Echangeur de chaleur suivant la revendication

2 caractérisé en ce que le fluide est généralement vapori-

sable h l'intérieur de la première branche (18) et il est

généralement condensable dans la seconde branche (28).

4.- Echangeur de chaleur suivant la revendication 3 caractérisé en ce que les caloducs ont une forme générale t:n C.