FR2817953A1

FR2817953A1 - Fluid heat exchanger has fluid tube and coil enclosed in conductive covering moulded in place

Info

Publication number: FR2817953A1
Application number: FR0016210A
Authority: FR
Inventors: Guy Deschamps; Bernard Creton; Jean Burg
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2002-06-14
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: FR2817953B1

Abstract

The fluid heat exchanger has a tubular duct (2) for a fluid and a coil (4) in contact with the wall of the tube (3). The tube and coil assembly is enclosed in a conductive material (6). The covering has a similar thermal coefficient of expansion as the tube and coil in the normal operating range of temperature. The covering material can be moulded onto the tube and coil assembly.

Description

Dispositif d'échange thermique entre un élément d'apport thermique et un fluide circulant dans un conduit tubulaire
L'invention est relative à un dispositif d'échange thermique destiné au chauffage ou au refroidissement d'un fluide circulant dans un conduit tubulaire, le chauffage ou le refroidissement du fluide étant obtenu par transfert thermique, au travers de la paroi dudit conduit tubulaire, de l'énergie thermique apportée par au moins un élément d'apport thermique disposé au contact de la paroi extérieure du conduit tubulaire. Heat exchange device between a heat supply element and a fluid circulating in a tubular conduit
The invention relates to a heat exchange device intended for heating or cooling a fluid circulating in a tubular conduit, the heating or cooling of the fluid being obtained by thermal transfer, through the wall of said tubular conduit, thermal energy provided by at least one thermal input element disposed in contact with the outer wall of the tubular conduit.

Le document WO 0004745 décrit un exemple d'un tel dispositif (dans ce cas un dispositif de chauffage) qui comporte un conduit tubulaire dont la paroi extérieure coopère avec une pluralité de résistances électriques uniformément réparties sur toute cette paroi. Document WO 0004745 describes an example of such a device (in this case a heating device) which comprises a tubular conduit whose outer wall cooperates with a plurality of electrical resistances uniformly distributed over this entire wall.

Le principal inconvénient de ce type de dispositif réside dans le mode de transmission de l'énergie thermique apportée par l'élément d'apport thermique à la paroi du conduit tubulaire, et destinée ensuite à être transmise au fluide circulant dans ledit conduit tubulaire. En effet ce mode de transmission est essentiellement un transfert par conduction, et l'obtention d'un rendement acceptable nécessite, notamment, un minimum de pertes thermiques dans cette transmission par conduction. The main drawback of this type of device lies in the mode of transmission of the thermal energy supplied by the thermal supply element to the wall of the tubular conduit, and then intended to be transmitted to the fluid circulating in said tubular conduit. Indeed, this mode of transmission is essentially a transfer by conduction, and obtaining an acceptable yield requires, in particular, a minimum of heat losses in this transmission by conduction.

Or, dans le dispositif décrit dans le document WO 0004745 rappelé ci-dessus la surface d'échange thermique par conduction est limitée aux seules zones de contact entre l'élément d'apport thermique constitué par la résistance et les parois de l'élément thermique ; à ce propos on remarquera d'ailleurs que dans ce dispositif, et pour obtenir des zones de contact de surface importantes et de However, in the device described in document WO 0004745 recalled above, the heat exchange surface by conduction is limited to only the contact zones between the thermal input element constituted by the resistance and the walls of the thermal element. ; in this regard, it will also be noted that in this device, and in order to obtain large surface contact areas and

géométrie plane, on a été amené à donner au conduit tubulaire une section en étoile, bien évidemment au prix d'un coût de fabrication du conduit tubulaire très supérieur à celui du conduit tubulaire de section circulaire. planar geometry, we were led to give the tubular conduit a star section, obviously at the cost of a manufacturing cost of the tubular conduit much higher than that of the tubular conduit of circular section.

La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un dispositif d'échange thermique qui possède un rendement maximum obtenu par un coefficient de transmission par conduction élevée entre l'élément d'apport thermique et les parois du conduit tubulaire, tout en restant d'un coût de fabrication faible car il peut être fait appel à des conduits tubulaires de section circulaire, et donc permettre des applications dans de nombreux domaines. The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to propose a heat exchange device which has a maximum efficiency obtained by a coefficient of transmission by high conduction between the heat input element and the walls of the tubular conduit, while remaining low manufacturing cost because it can be used tubular conduits of circular section, and therefore allow applications in many fields.

Le dispositif d'échange thermique conforme à l'invention comporte un conduit tubulaire dans lequel circule un fluide avec lequel doivent s'opérer les échanges thermiques, et au moins un élément d'apport thermique en contact avec la paroi extérieure dudit conduit tubulaire, et il est caractérisé par le fait que l'ensemble constitué par ce conduit tubulaire et cet élément d'apport thermique est enrobé par un matériau rapporté, bon conducteur thermique et dont la constitution est telle qu'il présente un coefficient de dilatation compatible avec les matériaux constitutifs de l'ensemble conduit tubulaire-élément d'apport thermique, au moins dans une gamme de températures dans laquelle le dispositif est amené à fonctionner. The heat exchange device according to the invention comprises a tubular conduit in which a fluid circulates with which the heat exchanges must take place, and at least one element of thermal input in contact with the external wall of said tubular conduit, and it is characterized by the fact that the assembly constituted by this tubular conduit and this thermal input element is coated with an added material, good thermal conductor and whose constitution is such that it has a coefficient of expansion compatible with the materials constituting the tubular conduit-heat input element assembly, at least in a range of temperatures in which the device is brought to operate.

Grâce à cette disposition, la quasi-totalité de l'énergie apportée par l'élément d'apport thermique est transmise par conduction à la paroi du conduit tubulaire qui peut donc chauffer ou refroidir le fluide en circulation avec le maximum d'efficacité. Thanks to this arrangement, almost all of the energy provided by the thermal input element is transmitted by conduction to the wall of the tubular conduit which can therefore heat or cool the fluid in circulation with maximum efficiency.

Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - le matériau rapporté est amené par un surmoulage de l'ensemble conduit tubulaire-élément d'apport thermique ; - l'élément d'apport thermique est constitué par au moins une résistance électrique, le dispositif étant alors destiné à réchauffer le fluide circulant dans le conduit tubulaire ; - le matériau rapporté est réalisé à partir d'un matériau métallique ; - le matériau rapporté est réalisé à partir d'un matériau non métallique ; - le matériau rapporté est réalisé à partir d'un matériau réfractaire ; - le matériau rapporté assure le maintien des éléments d'apport thermique sur la surface externe du dispositif d'échange thermique ; - le matériau rapporté est revêtu d'un calorifugeage ;

- le matériau rapporté inclut un tube de refroidissement. In preferred embodiments of the invention, it is also possible to have recourse to one and / or the other of the following arrangements: - the added material is brought by an overmolding of the tubular conduit-element assembly thermal input; - The thermal input element consists of at least one electrical resistance, the device then being intended to heat the fluid circulating in the tubular conduit; - the added material is made from a metallic material; - the added material is made from a non-metallic material; - The added material is made from a refractory material; - The added material maintains the heat transfer elements on the external surface of the heat exchange device; - the added material is coated with thermal insulation;

- the added material includes a cooling tube.

Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci vise un module d'échange thermique formé par un assemblage d'une pluralité de dispositifs selon l'invention. According to another aspect of the invention, it relates to a heat exchange module formed by an assembly of a plurality of devices according to the invention.

Dans des modes de réalisation préférés de cet aspect de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - le module d'échange thermique comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique, les conduits tubulaires respectifs étant montés en parallèle au sein de collecteurs ; In preferred embodiments of this aspect of the invention, it is possible optionally to have recourse to one and / or the other of the following arrangements - the heat exchange module comprises a plurality of exchange devices thermal, the respective tubular conduits being mounted in parallel within manifolds;

- le module d'échange thermique comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique, les conduits tubulaires étant montés en série. - The heat exchange module comprises a plurality of heat exchange devices, the tubular conduits being mounted in series.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Other characteristics and advantages of the invention will appear during the following description of one of its embodiments, given by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings.

Sur les dessins : - la figure 1 est une vue en élévation d'un dispositif d'échange thermique selon l'invention, destiné au chauffage d'un fluide ; - la figure 2 est une vue en élévation latérale d'un module d'échange thermique incorporant une pluralité de dispositifs représentés en figure 1 ; - la figure 3 est une vue en élévation latérale d'une autre forme de réalisation de module d'échange thermique incorporant des dispositifs représentés en figure 1. In the drawings: - Figure 1 is an elevational view of a heat exchange device according to the invention, intended for heating a fluid; - Figure 2 is a side elevational view of a heat exchange module incorporating a plurality of devices shown in Figure 1; - Figure 3 is a side elevational view of another embodiment of the heat exchange module incorporating devices shown in Figure 1.

Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. In the different figures, the same references designate identical or similar elements.

Sur la figure 1, on a représenté par le repère 1 un dispositif d'échange thermique destiné au chauffage, d'un fluide circulant dans un conduit tubulaire 2, le chauffage du fluide étant obtenu par transfert thermique, au travers de la paroi 3 dudit conduit tubulaire 2, de l'énergie thermique apportée par au moins un élément d'apport thermique 4 disposé au contact de la paroi 3 extérieure du conduit tubulaire 2. In FIG. 1, the reference 1 shows a heat exchange device intended for heating, of a fluid circulating in a tubular conduit 2, the heating of the fluid being obtained by thermal transfer, through the wall 3 of said tubular conduit 2, thermal energy provided by at least one thermal input element 4 disposed in contact with the outer wall 3 of the tubular conduit 2.

La section droite du conduit tubulaire 2 est dans l'exemple représenté circulaire, mais pourrait être également de forme carrée, rectangulaire, polygonale. De même la surface interne 5 du conduit tubulaire 2 représenté The cross section of the tubular conduit 2 is in the example shown circular, but could also be square, rectangular, polygonal. Likewise the internal surface 5 of the tubular conduit 2 shown

à la figure 1 est lisse mais pourrait aussi être rainurées ou corruguées ou bien encore présenter une pluralité de reliefs afin d'augmenter la surface d'échange. La surface interne 5 peut également être revêtue d'une couche de matériau anti-adhésif ou d'un inhibiteur de corrosion.

in Figure 1 is smooth but could also be grooved or corrugated or even have a plurality of reliefs in order to increase the exchange surface. The internal surface 5 can also be coated with a layer of non-stick material or of a corrosion inhibitor.

Le matériau constitutif du conduit tubulaire 2 sera choisi parmi ceux possédant un important coefficient d'échange par conduction. Le conduit tubulaire 2 représenté en figure 1 est réalisé en inox. On pourrait par exemple réaliser ces conduits tubulaires en acier, en titane, tantale, zirconium, carbone, céramique, verre, quartz, carbure de silicium. Bien entendu, le choix du matériau du conduit tubulaire sera également déterminé en fonction du type de fluide circulant au sein du conduit ainsi que de la plage de température fonctionnement du dispositif d'échange. The material constituting the tubular conduit 2 will be chosen from those having a large exchange coefficient by conduction. The tubular conduit 2 shown in Figure 1 is made of stainless steel. These tubular conduits could for example be made of steel, titanium, tantalum, zirconium, carbon, ceramic, glass, quartz, silicon carbide. Of course, the choice of the material of the tubular conduit will also be determined according to the type of fluid circulating within the conduit as well as the operating temperature range of the exchange device.

Sur la figure 1, on a représenté par le repère 4 le dispositif d'apport thermique. Dans cet exemple, le dispositif d'apport thermique 4 est constitué par au moins une résistance chauffante enroulée autour du conduit tubulaire 2 ou positionnée uniformément sur la paroi externe 3 de ce dernier. Cette résistance est rendue électriquement isolante du conduit-tubulaire 2 et du matériau rapporté 6 par un blindage, un gainage ou analogue. In Figure 1, there is shown by reference 4 the thermal input device. In this example, the heat supply device 4 is constituted by at least one heating resistor wound around the tubular conduit 2 or positioned uniformly on the external wall 3 of the latter. This resistance is made electrically insulating from the tubular conduit 2 and the attached material 6 by shielding, sheathing or the like.

Cette résistance chauffante est reliée au réseau de distribution électrique, selon un mode de branchement monophasé ou triphasé, et dissipe de l'énergie par effet Joule qui est transmise à la paroi 3 du conduit tubulaire 2, et qui est destinée ensuite à être transmise au fluide circulant dans ledit conduit tubulaire 2. This heating resistor is connected to the electrical distribution network, in a single-phase or three-phase connection mode, and dissipates energy by the Joule effect which is transmitted to the wall 3 of the tubular conduit 2, and which is then intended to be transmitted to the fluid flowing in said tubular conduit 2.

Les caractéristiques (nombre, dimension, puissance, pas d'enroulement...) de cette résistance chauffante sont The characteristics (number, dimension, power, no winding ...) of this heating resistance are

adaptées en fonction des caractéristiques du fluide circulant dans ledit conduit tubulaire. adapted according to the characteristics of the fluid circulating in said tubular conduit.

Bien entendu afin d'adapter la puissance transmise au fluide, on peut adjoindre au circuit électrique d'alimentation des dispositifs d'apport thermique 4 des moyens de contrôle et de commande (non représentés sur les figures). Of course in order to adapt the power transmitted to the fluid, it is possible to add to the electrical supply circuit of the heat supply devices 4 control and command means (not shown in the figures).

Sur la figure 1, on a représenté par le repère 6 une couche de matériau. Ce matériau rapporté est amené par une opération de surmoulage de l'ensemble conduit tubulaire 2- élément d'apport thermique 4. Ce matériau rapporté assure le maintien sur le conduit tubulaire 2 des éléments d'apports thermiques, en l'occurrence des résistances chauffantes dans l'exemple représenté sur cette figure. In Figure 1, there is shown by the reference 6 a layer of material. This added material is brought by an overmolding operation of the tubular duct assembly 2- thermal input element 4. This attached material ensures the retention on the tubular duct 2 of the thermal input elements, in this case heating resistors in the example shown in this figure.

Le matériau rapporté 6 est bon conducteur thermique et sa constitution est telle qu'il présente un coefficient de dilatation compatible avec les matériaux constitutifs de l'ensemble conduit tubulaire 2-élément d'apport thermique 4, au moins dans une gamme de températures dans laquelle le dispositif d'échange thermique est amené à fonctionner. The added material 6 is a good thermal conductor and its constitution is such that it has a coefficient of expansion compatible with the materials making up the tubular duct 2-heat input element 4 assembly, at least in a range of temperatures in which the heat exchange device is made to operate.

Ainsi à titre d'exemple, le matériau rapporté est choisi notamment parmi les matériaux métalliques (aluminium, alliages d'aluminium, bronze, fonte...) ou parmi des matériaux non métalliques (bétons et ciments réfractaires, résines...). Thus by way of example, the added material is chosen in particular from metallic materials (aluminum, aluminum alloys, bronze, cast iron, etc.) or from non-metallic materials (concretes and refractory cements, resins, etc.).

En variante (non représenté sur les figures), le dispositif d'échange 1 peut incorporer, au niveau de la couche de matériau rapporté, un tube de refroidissement. As a variant (not shown in the figures), the exchange device 1 can incorporate, at the level of the layer of added material, a cooling tube.

Par ailleurs, selon une autre variante de réalisation, le matériau rapporté 6 est revêtu d'un calorifugeage 7 afin de limiter les pertes thermiques. Furthermore, according to another alternative embodiment, the added material 6 is coated with an insulation 7 in order to limit the heat losses.

Sur la figure 2, on a représenté un module d'échange thermique 8 comportant une pluralité de dispositifs In Figure 2, there is shown a heat exchange module 8 comprising a plurality of devices

d'échange thermique 1, les conduits tubulaires 2 respectifs étant montés en parallèle au sein de collecteurs 9, les dispositifs d'apport thermique 4 étant reliés au réseau électrique, en série, ou en parallèle, et pilotés indépendamment ou simultanément, en fonction des caractéristiques du fluide circulant au travers des collecteurs 9. heat exchange 1, the respective tubular conduits 2 being mounted in parallel within collectors 9, the heat supply devices 4 being connected to the electrical network, in series, or in parallel, and controlled independently or simultaneously, depending on the characteristics of the fluid flowing through the collectors 9.

Sur la figure 3, on a représenté un autre type de module d'échange thermique 8. Dans l'exemple représenté ce module d'échange thermique 8 comporte une pluralité de dispositifs d'échange thermique 1, dans lequel les conduits tubulaires 2 sont montés en série. De même, le pilotage des dispositifs d'apport thermique 4 est similaire au module précédent. In Figure 3, there is shown another type of heat exchange module 8. In the example shown this heat exchange module 8 comprises a plurality of heat exchange devices 1, in which the tubular conduits 2 are mounted serial. Similarly, the control of the heat input devices 4 is similar to the previous module.

L'invention telle que décrite précédemment offre de multiples avantages :
L'opération de surmoulage à l'aide d'un matériau conducteur thermique autour de l'ensemble conduit tubulaire - élément d'apport thermique permet d'augmenter de manière très significative la surface d'échange entre le conduit tubulaire et l'élément d'apport thermique, et donc d'améliorer le transfert thermique par conduction du fluide circulant au travers du conduit tubulaire.The invention as described above offers multiple advantages:
The overmolding operation using a thermal conductive material around the tubular duct - heat supply element assembly makes it possible to significantly increase the exchange surface between the tubular duct and the element d 'heat input, and therefore improve the heat transfer by conduction of the fluid flowing through the tubular conduit.

Claims

1. A heat exchange device (1) comprising a tubular conduit (2) in which a fluid circulates with which the heat exchanges must take place, and at least one heat input element (4) in contact with the outer wall (3) of said tubular conduit (2), characterized in that the assembly constituted by this tubular conduit (2) and this thermal input element (4) is coated with an added material (6), a good thermal conductor and whose constitution is such that it has a coefficient of expansion compatible with the materials constituting the tubular conduit assembly (2) -heat supply element (4), at least in a range of temperatures in which the device is brought to operate.

2. A heat exchange device according to claim 1, in which the added material (6) is brought by an overmolding of the tubular conduit assembly (2) - thermal input element (4).

3. A heat exchange device according to one of claims 1 or 2, wherein the thermal input element (4) consists of at least one electrical resistance, the device then being intended to heat the fluid flowing in the tubular conduit (2).

4. A heat exchange device according to any one of claims 1 to 3, wherein the attached material (6) is made from a metallic material.

5. A heat exchange device according to any one of claims 1 to 3, in which the added material (6) is produced from a non-metallic material.

6. A heat exchange device according to any one of claims 1 to 3, wherein the attached material (6) is made from a refractory material.

7. A heat exchange device according to any one of claims 1 to 6, in which the added material (6) ensures the maintenance of the heat input elements (4) on the external surface (3) of the exchange device thermal (1).

8. A heat exchange device according to any one of claims 1 to 7, in which the added material (6) is coated with an insulation (7).

9. A heat exchange device according to any one of claims 1 to 8, wherein the attached material (6) includes a cooling tube.

10. Heat exchange module (8) formed by an assembly of a plurality of heat exchange devices according to any one of claims 1 to 9.

11. Module according to claim 10, wherein it comprises a plurality of heat exchange devices (1), the respective tubular conduits (2) being mounted in parallel within collectors (9).

12. Module according to claim 10, wherein it comprises a plurality of heat exchange devices (1), the tubular conduits (2) being mounted in series.