FR2964183A1 - IMPROVED THERMAL EXCHANGER - Google Patents
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Abstract
Dispositif d'échange thermique entre un premier fluide caloporteur et un second fluide caloporteur comprenant - un premier canal associé à une entrée et une sortie, le premier canal étant destiné à recevoir le premier fluide caloporteur, - un deuxième canal, associé à une entrée et une sortie, hydrauliquement isolé du premier canal, le deuxième canal étant destiné à recevoir un deuxième fluide caloporteur, le deuxième canal permettant un échange thermique entre le premier et le deuxième fluide caloporteur, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de guidage de sorte que les deux fluides circulent chacun le long d'une trajectoire en spirale.A device for heat exchange between a first heat transfer fluid and a second heat transfer fluid comprising - a first channel associated with an inlet and an outlet, the first channel being intended to receive the first heat transfer fluid, - a second channel, associated with an inlet and an output, hydraulically isolated from the first channel, the second channel being intended to receive a second heat transfer fluid, the second channel allowing a heat exchange between the first and second heat transfer fluid, the device being characterized in that it comprises means for guiding so that the two fluids each flow along a spiral path.
Description
L'invention concerne le domaine des échangeurs de chaleur. Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des échangeurs conçus pour provoquer un échange thermique entre un premier et un deuxième fluide caloporteur. The invention relates to the field of heat exchangers. More particularly, the invention relates to the field of heat exchangers designed to cause a heat exchange between a first and a second heat transfer fluid.
Plus particulièrement encore, l'invention concerne le domaine des échangeurs conçus pour être agencés au sein d'un réservoir de stockage comme un dispositif de chauffe-eau afin de provoquer un échange thermique entre un fluide caloporteur (par exemple provenant d'un circuit solaire) et le fluide à chauffer contenu dans le réservoir (par exemple de l'eau sanitaire dans le cas d'un chauffe-eau). Dans ce domaine, on connaît de nombreux dispositifs permettant d'échanger l'énergie thermique (c'est-à-dire de la chaleur) entre un premier fluide caloporteur et un deuxième fluide caloporteur. Les figures 1, 2a et 2b tirées du document US 2 663 549 représentent trois vues en coupe d'un même échangeur de chaleur 1 permettant de transférer l'énergie thermique entre un premier fluide G vers un deuxième fluide R. Plus précisément, cet échangeur 1 est composé d'un élément tubulaire en spiral dont les spires non jointives présentent une section droite fermée en forme de rectangle allongé parallèlement à l'axe de la spirale. Le fluide G est amené par une canalisation 11 centrale dans l'entrée radialement interne de l'élément en spiral pour circuler dans l'élément tubulaire en spiral 4. La spire radialement externe de l'élément tubulaire débouche axialement sur le côté opposé à la canalisation 11. Entre les spires de l'élément tubulaire, il est formé un canal en spirale hydrauliquement isolé de l'élément en spirale et qui débouche axialement de part et d'autre de l'élément tubulaire. Le fluide R, quant à lui, est amené par une canalisation 22 dans le canal et circule ainsi axialement, c'est-à-dire verticalement depuis le bas de l'échangeur vers le haut en circulant dans l'élément en spiral selon la direction 7. Ainsi, le fluide R est hydrauliquement isolé du fluide G, tout en étant en relation d'échange thermique avec ce dernier par les surfaces 2 et 3. En sortie de l'échangeur, le fluide R sortant de chaque spire selon les directions 7 est recueilli dans un élément collecteur 10 pour une utilisation ultérieure. More particularly, the invention relates to the field of heat exchangers designed to be arranged within a storage tank as a water heater device in order to cause a heat exchange between a heat transfer fluid (for example from a solar circuit ) and the fluid to be heated contained in the tank (for example sanitary water in the case of a water heater). In this field, there are numerous devices for exchanging heat energy (that is to say heat) between a first heat transfer fluid and a second heat transfer fluid. FIGS. 1, 2a and 2b taken from document US Pat. No. 2,663,549 represent three sectional views of a same heat exchanger 1 making it possible to transfer thermal energy between a first fluid G and a second fluid R. More specifically, this exchanger 1 is composed of a spiral tubular element whose non-contiguous turns have a closed cross section in the form of an elongate rectangle parallel to the axis of the spiral. The fluid G is fed through a central duct 11 into the radially inner inlet of the spiral element to circulate in the spiral tubular element 4. The radially outer turn of the tubular element opens axially on the side opposite to the 11. Between the turns of the tubular element, there is formed a spiral channel hydraulically isolated from the spiral element and which opens axially on either side of the tubular element. The fluid R, meanwhile, is fed through a pipe 22 into the channel and thus circulates axially, that is to say vertically from the bottom of the exchanger upwardly circulating in the spiral element according to the 7. Thus, the fluid R is hydraulically isolated from the fluid G, while being in heat exchange relationship with the latter by the surfaces 2 and 3. At the outlet of the exchanger, the fluid R leaving each turn according to the directions 7 is collected in a collector element 10 for later use.
Cependant, des critiques ont été émises quant aux dispositifs de l'état de la technique. En effet, l'échange thermique entre le fluide R et le fluide G s'effectue le long de la hauteur de l'échangeur 1 et cette surface d'échange n'est pas toujours suffisante pour un rendement optimum de l'échange thermique. However, criticisms have been made about the devices of the state of the art. Indeed, the heat exchange between the fluid R and the fluid G takes place along the height of the heat exchanger 1 and this exchange surface is not always sufficient for optimum performance of the heat exchange.
Une première solution serait d'augmenter la taille de l'échangeur, avec pour conséquences un échangeur plus cher, plus complexe et il n'y a pas forcément de place pour agencer un tel échangeur à l'intérieur d'un réservoir (par exemple un ballon d'eau chaude). Selon une autre critique, il s'avère que ces dispositifs de l'état de la technique ne permettent pas de mettre en oeuvre une stratification thermique du fluide en sortie de l'échangeur. On entendra par « stratification thermique » d'un volume de fluide, le fait que ce volume de fluide comprend des couches à des températures différentes selon la position de cette couche. Généralement, ces couches sont situées les unes sur les autres le long de la hauteur dans un récipient (tel qu'un ballon ou tout autre type de réservoir pour fluide), les couches inférieures étant les plus froides, la température des couches augmentant avec la hauteur de positionnement. Bien évidemment, ce phénomène de stratification thermique n'est pas obligatoirement discontinu et est généralement continu par échange thermique entre les couches. A first solution would be to increase the size of the exchanger, resulting in a more expensive exchanger, more complex and there is not necessarily room to arrange such a heat exchanger inside a tank (for example a hot water tank). According to another criticism, it turns out that these devices of the state of the art do not make it possible to implement a thermal stratification of the fluid at the outlet of the exchanger. By "thermal stratification" of a volume of fluid, it will be understood that this volume of fluid comprises layers at different temperatures depending on the position of this layer. Generally, these layers are located one above the other along the height in a container (such as a balloon or other type of fluid reservoir), the lower layers being the coldest, the temperature of the layers increasing with the positioning height. Of course, this phenomenon of thermal stratification is not necessarily discontinuous and is generally continuous by heat exchange between the layers.
En conséquence, un premier but de la présente invention est de fournir un dispositif d'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur et un second fluide caloporteur permettant d'augmenter la surface d'échange par rapport aux dispositifs de l'état de la technique sans pour autant augmenter la taille de l'échangeur. Accordingly, a first object of the present invention is to provide a heat exchange device between a first heat transfer fluid and a second heat transfer fluid to increase the exchange surface compared to devices of the state of the art without increasing the size of the exchanger.
Plus précisément, un but de la présente invention est de proposer un dispositif d'échange thermique qui soit simple et peu coûteux à réaliser. More specifically, an object of the present invention is to provide a heat exchange device that is simple and inexpensive to produce.
Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif d'échange de chaleur mettant en oeuvre une stratification thermique de l'un des deux fluides caloporteurs en sortie de l'échangeur. Another object of the present invention is to provide a heat exchange device employing a thermal stratification of one of the two heat transfer fluids at the outlet of the exchanger.
A cet effet l'invention concerne un dispositif d'échange thermique entre un premier fluide caloporteur et un second fluide caloporteur comprenant : - un premier canal associé à une entrée et une sortie, le premier canal étant destiné à recevoir le premier fluide caloporteur, - un deuxième canal, associé à une entrée et une sortie, hydrauliquement isolé du premier canal, étant destiné à recevoir un deuxième fluide caloporteur, le deuxième canal permettant un échange thermique entre le premier et le deuxième fluide caloporteur, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de guidage de sorte que les deux fluides circulent chacun le long d'une trajectoire en spirale. For this purpose the invention relates to a heat exchange device between a first heat transfer fluid and a second heat transfer fluid comprising: a first channel associated with an inlet and an outlet, the first channel being intended to receive the first heat transfer fluid, a second channel, associated with an inlet and an outlet, hydraulically isolated from the first channel, being intended to receive a second heat transfer fluid, the second channel allowing a heat exchange between the first and second heat transfer fluid, the device being characterized in that it comprises guiding means so that the two fluids each circulate along a spiral path.
Ainsi les moyens de guidage obligent les deux fluides à s'écouler le long d'une spirale au sein d'un échangeur permettant d'augmenter la surface de contact sans augmenter la taille de l'échangeur. Thus the guide means force the two fluids to flow along a spiral within an exchanger to increase the contact surface without increasing the size of the exchanger.
Plus précisément l'invention concerne un dispositif d'échange de chaleur destiné à être immergé dans le fluide d'un réservoir, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe conique et un élément en forme de plaque, enroulé, dont l'arrête supérieure est adjacente à l'enveloppe conique, l'élément en forme de plaque définissant un conduit interne formant le premier canal, l'enroulement de la plaque définissant le deuxième canal entre les spires de l'enroulement. More specifically, the invention relates to a heat exchange device intended to be immersed in the fluid of a reservoir, characterized in that it comprises a conical envelope and a plate-shaped element, wound, whose upper edge is adjacent to the conical envelope, the plate-shaped member defining an inner channel forming the first channel, the winding of the plate defining the second channel between the turns of the winding.
Ainsi, il est possible d'obtenir de manière très simple un échangeur thermique dont les deux fluides circulent chacun le long d'une trajectoire en spirale. La circulation relative des fluides pouvant être avantageusement à contre courant. Thus, it is possible to very simply obtain a heat exchanger whose two fluids circulate each along a spiral path. The relative circulation of the fluids can be advantageously against the current.
Avantageusement mais facultativement, l'invention comprend au moins l'une des caractéristiques suivantes : - le premier canal comprend une entrée située à proximité du centre de l'enroulement de l'élément en forme de plaque et une sortie radialement externe, opposée au centre de l'enroulement, - le deuxième canal comprend une entrée radialement externe à l'enroulement de l'élément en forme de plaque et une sortie située à proximité du centre de l'enroulement, - le premier canal définit une trajectoire en forme de zig-zag au sein de l'élément en plaque, - le premier canal comprend des tronçons principaux perpendiculaires à l'axe d'enroulement de l'élément en forme de plaque, les tronçons principaux étant raccordés deux à deux, au niveau de leurs extrémités par des tronçons secondaires parallèles à l'axe d'enroulement, - le dispositif comprend un élément en forme de plaque comprenant : ^ le canal interne destiné à recevoir le premier fluide caloporteur, ^ deux surfaces opposées de part et d'autre du canal interne conçues pour provoquer un échange de chaleur entre le premier fluide caloporteur circulant au sein du canal et le deuxième fluide en contact avec lesdites surfaces, la hauteur de l'élément en forme de plaque variant le long d'un axe principal dudit élément, l'élément en forme de plaque étant enroulé, le dispositif comprenant en outre une enveloppe autour de l'élément enroulé, - l'élément en forme de plaque présente une augmentation de la hauteur entre une première extrémité de la plaque le long de son axe principal et une deuxième extrémité de la plaque, - l'élément en forme de plaque présente une augmentation de la hauteur le long de l'axe principal de la plaque, - l'augmentation de la hauteur est continue, - l'augmentation de la hauteur est par palier, - la différence de hauteur d'une extrémité à l'autre de l'élément en forme de plaque le long de son axe principal est d'une valeur relative comprise entre 5% et 100%, - la différence de hauteur d'une extrémité à l'autre de l'élément en forme de plaque le long de son axe principal est d'une valeur absolue comprise entre 10 cm et 100 cm, - les surfaces de l'élément en forme de plaque présentent des aspérités et/ou des protubérances et/ou des ailettes, - l'élément en forme de plaque est réalisé dans au moins l'un des matériaux suivants : métaux, plastiques, matériaux composites, - le dispositif comprend en outre une cheminée de stratification thermique, - la cheminée de stratification thermique comprend un élément tubulaire comprenant une pluralité de lumières alignées dans le sens d'un axe principal de l'élément tubulaire. Ainsi, en sortie de l'échangeur, il est possible d'avoir une stratification thermique de l'un des deux fluides caloporteurs, c'est-à-dire que, selon la température du fluide en sortie de l'échangeur par rapport au fluide ambiant dans lequel est immergé l'échangeur, le fluide ressort à une hauteur différente correspondant à l'une ou l'autre des lumières de l'élément tubulaire. Advantageously but optionally, the invention comprises at least one of the following features: the first channel comprises an inlet located near the center of the winding of the plate-shaped element and a radially external outlet, opposite to the center; of the winding, - the second channel comprises an input radially external to the winding of the plate-shaped element and an output located near the center of the winding, - the first channel defines a zig-shaped path. -zag within the plate element, - the first channel comprises main sections perpendicular to the winding axis of the plate-shaped element, the main sections being connected in pairs, at their ends. by secondary sections parallel to the winding axis, the device comprises a plate-shaped element comprising: the internal channel intended to receive the first heat transfer fluid; , two opposing surfaces on either side of the internal channel designed to cause a heat exchange between the first heat transfer fluid circulating in the channel and the second fluid in contact with said surfaces, the height of the element in the form of plate varying along a major axis of said element, the plate-shaped element being wound, the device further comprising a wrapper around the wound element, - the plate-shaped element exhibiting an increase in height between a first end of the plate along its main axis and a second end of the plate, - the plate-shaped element has an increase in height along the main axis of the plate, - the increase the height is continuous, - the height increase is in steps, - the difference in height from one end to the other of the plate-shaped element along its principal axis is of a relative value between 5% and 100%, - the difference in height from one end to the other of the plate-shaped element along its main axis is of an absolute value of between 10 cm and 100 cm, the surfaces of the plate-shaped element have asperities and / or protuberances and / or fins, - the plate-shaped element is made of at least one of the following materials: metals, plastics, composite materials the device further comprises a thermal lamination stack; the thermal lamination stack comprises a tubular element comprising a plurality of lumens aligned in the direction of a main axis of the tubular element. Thus, at the outlet of the exchanger, it is possible to have a thermal stratification of one of the two heat transfer fluids, that is to say that, depending on the temperature of the fluid at the outlet of the exchanger with respect to the ambient fluid in which the exchanger is immersed, the fluid exits at a different height corresponding to one or the other of the lights of the tubular element.
L'invention concerne également un réservoir de fluide, notamment un ballon d'eau chaude, caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif d'échange de chaleur selon l'invention, et en ce que le premier canal est connecté à un circuit de fluide provenant d'une source chaude de sorte que le fluide provenant d'une source chaude circule à l'intérieur du premier canal interne et en ce que le deuxième canal comprend une entrée et une sortie au sein du réservoir de sorte que le fluide contenu dans le réservoir constitue le deuxième fluide caloporteur circulant au sein du deuxième canal du dispositif d'échange de chaleur. The invention also relates to a fluid reservoir, in particular a hot water tank, characterized in that it comprises the heat exchange device according to the invention, and in that the first channel is connected to a circuit for heating. fluid from a hot source so that the fluid from a hot source flows within the first internal channel and in that the second channel includes an inlet and an outlet within the reservoir so that the fluid contained in the reservoir constitutes the second heat transfer fluid circulating in the second channel of the heat exchange device.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à lecture de la description qui va suivre et sur les figures annexées, données à titre illustratif, et sur lesquelles : - les figures 1 et 2a et 2b, tirés du document US 2 663 549 représentent un dispositif d'échange de chaleur selon l'état de la technique, la figure 1 étant une vue en coupe verticale I-I, la figure 2a étant une vue en coupe horizontale Ila-lla, et la figure 2b étant une vue en coupe verticale Ilb-Ilb, - la figure 3a est une représentation schématique de coté d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3b est une représentation schématique de coté d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon un autre mode de réalisation de la présente invention, - les figures 3c et 3d sont des vues en coupe respectivement des figures 3a et 3b, respectivement selon les plans Illc-Illc et Illd-Illd, - la figure 4a est une représentation schématique de coté d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention, - la figure 4b est une vue en coupe verticale selon le plan IVb-IVb de l'élément de la figure 4a, - la figure 4c est une vue cavalière d'une portion de l'élément de la figure 4a. - la figure 5a représente un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon la figure 4a, enroulé selon un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 5b représente une enveloppe et une cheminée de stratification selon un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 6a est une vue en coupe horizontale VIII-VIII d'un dispositif d'échange de chaleur selon les figures 5a et 5b (le nombre de spire ayant été réduit par souci de clarté), - la figure 6b est une vue de haut d'un dispositif d'échange de chaleur selon les figures 5a et 5b, - la figure 7 représente une vue éclatée d'un dispositif d'échange de chaleur selon un mode particulier de la présente invention, - la figure 8 représente une vue en coupe d'un élément en forme de plaque d'un dispositif d'échange de chaleur selon la figure 3a ou 3b, enroulé selon un mode de réalisation de la présente invention, - la figure 9 représente un dispositif d'échange de chaleur comprenant un élément en forme de plaque selon la figure 8, - la figure 10 est une vue en coupe horizontale de la figure 9 selon le plan IX-IX d'un dispositif d'échange de chaleur selon la figure 9, - la figure 11 est une vue en coupe d'un réservoir de fluide, et plus spécialement un chauffe-eau comprenant un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention. Other aims, features and advantages of the present invention will appear on reading the description which follows and in the appended figures, given for illustrative purposes, and in which: FIGS. 1 and 2a and 2b, taken from US 2 663 549 represent a heat exchange device according to the state of the art, FIG. 1 being a vertical sectional view II, FIG. 2a being a horizontal sectional view Ila-11a, and FIG. FIG. 3a is a diagrammatic side view of a plate-shaped element of a heat exchange device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 3b is a schematic side view of a plate-shaped element of a heat exchange device according to another embodiment of the present invention, - Figures 3c and 3d are cross-sectional views respectively of Figures 3a and 3b, resp According to Figs. Illc-Illc and Illd-Illd, Fig. 4a is a schematic side view of a plate-like member of a heat exchange device according to yet another embodiment of the present invention. FIG. 4b is a vertical sectional view along the plane IVb-IVb of the element of FIG. 4a; FIG. 4c is a cavalier view of a portion of the element of FIG. 4a. FIG. 5a shows a plate-shaped element of a heat exchange device according to FIG. 4a, wound according to one embodiment of the present invention; FIG. 5b represents a casing and a laminating chimney according to a embodiment of the present invention; FIG. 6a is a horizontal sectional view VIII-VIII of a heat exchange device according to FIGS. 5a and 5b (the number of turns having been reduced for the sake of clarity), FIG. 6b is a top view of a heat exchange device according to FIGS. 5a and 5b; FIG. 7 represents an exploded view of a heat exchange device according to a particular embodiment of the present invention; FIG. 8 represents a sectional view of a plate-shaped element of a heat exchange device according to FIG. 3a or 3b, wound according to one embodiment of the present invention; FIG. a device for exchange of c hauler comprising a plate-shaped element according to FIG. 8; FIG. 10 is a horizontal sectional view of FIG. 9 along plane IX-IX of a heat exchange device according to FIG. 9; FIG. 11 is a sectional view of a fluid reservoir, and more particularly a water heater comprising a heat exchange device according to the invention.
En référence à la figure 3a et selon un premier mode particulier de la présente invention, un dispositif d'échange de chaleur entre un premier fluide F1 et un second fluide F2 comprend un élément 10 en forme de plaque P. With reference to FIG. 3a and according to a first particular embodiment of the present invention, a device for exchanging heat between a first fluid F1 and a second fluid F2 comprises a plate-shaped element P.
L'élément 10 en forme de plaque P comprend un axe principal A le long duquel s'étend ladite plaque entre une première extrémité 103 et une seconde extrémité 104. L'élément 10 présente entre ces deux extrémités, deux surfaces opposées 101 et 102 espacées d'une épaisseur e selon une transversale de l'axe principal A. Préférentiellement, les extrémités 103 et 104 sont des segments de droite perpendiculaires à l'axe principal A. La plaque comprend également un bord 105 préférentiellement parallèle à l'axe principal A et un deuxième bord 106 opposé au bord 105. Les bords 103, 104, 105 et 106 permettent de former le contour des deux surfaces de contact 101 et 102. La forme externe de l'élément 10 est obtenue par translation des contours 103, 104, 105 et 106 le long de l'épaisseur e (préférentiellement perpendiculaire aux contours 103, 104, 105 et 106). Le bord 104 définit la direction d'un axe Z préférentiellement perpendiculaire à l'axe principal A. The plate-shaped element P comprises a main axis A along which said plate extends between a first end 103 and a second end 104. The element 10 has between these two ends two opposite surfaces 101 and 102 spaced apart. of a thickness e along a transversal axis of the main axis A. Preferably, the ends 103 and 104 are straight segments perpendicular to the main axis A. The plate also comprises an edge 105 preferably parallel to the main axis A and a second edge 106 opposite the edge 105. The edges 103, 104, 105 and 106 make it possible to form the contour of the two contact surfaces 101 and 102. The external shape of the element 10 is obtained by translating the contours 103, 104 , 105 and 106 along the thickness e (preferably perpendicular to the contours 103, 104, 105 and 106). The edge 104 defines the direction of a Z axis preferably perpendicular to the main axis A.
L'élément 10 (et plus spécifiquement les surfaces de contact 101 et 102) peut être réalisé en tout matériau connu de l'état de la technique pour permettre une optimisation de l'échange de chaleur entre un premier fluide caloporteur et un second fluide caloporteur et notamment peut être réalisé dans au moins l'un des matériaux suivants : métaux, plastiques, matériaux composites, ... L'élément 10 est en forme de « plaque », c'est à dire que ces dimensions géométriques sont telles que son épaisseur e est sensiblement inférieure aux dimensions des surfaces opposées 101 et 102 et plus précisément de la largeur horizontale L et la hauteur verticale H du corps de base. The element 10 (and more specifically the contact surfaces 101 and 102) can be made of any material known from the state of the art to allow optimization of the heat exchange between a first heat transfer fluid and a second heat transfer fluid and in particular can be achieved in at least one of the following materials: metals, plastics, composite materials, ... The element 10 is in the form of a "plate", that is to say that these geometric dimensions are such that its thickness e is substantially smaller than the dimensions of the opposite surfaces 101 and 102 and more precisely of the horizontal width L and the vertical height H of the basic body.
Par convention, on appellera le bord horizontal 105, la « base » de l'élément 10, de telle manière que l'axe principal A est également un axe horizontal, et les extrémités 103 et 104, des segments verticaux. Ainsi, la « hauteur » est définie comme étant la distance entre le bord 105 et le bord 106 de la plaque à un point donné de la base 105 et on entendra par « longueur» la distance entre les bords 103 et les bords 104 le long de l'axe principal A. By convention, we will call the horizontal edge 105, the "base" of the element 10, so that the main axis A is also a horizontal axis, and the ends 103 and 104, vertical segments. Thus, the "height" is defined as the distance between the edge 105 and the edge 106 of the plate at a given point of the base 105 and "length" will be understood to mean the distance between the edges 103 and the edges 104 along of the main axis A.
Préférentiellement, les dimensions géométriques de l'élément 10 sont les suivantes : hauteur H compris entre 0,2 et 1,5 m ; longueur L comprise entre 1 et 10 m ; et l'épaisseur e comprise entre 0,1 et 10 mm. L'élément 10 en forme de plaque P comprend un premier canal 100, interne, agencé entre les deux surfaces opposées 101 et 102. Ce premier canal interne 100 est destiné à recevoir un premier fluide caloporteur F1. Le canal interne 100 est associé à une entrée El et une sortie S1 permettant la circulation du fluide F1 au sein du premier canal interne 100. De plus, le premier canal 100 est en contact thermique avec les deux surfaces principales 101 et 102 opposées, permettant ainsi de provoquer un échange de chaleur entre le premier fluide caloporteur circulant au sein du premier canal 100 et un deuxième fluide caloporteur à l'extérieur de l'élément 10, en contact avec lesdites surfaces d'échange thermique opposées 101 et 102. Preferably, the geometric dimensions of the element 10 are as follows: height H between 0.2 and 1.5 m; length L between 1 and 10 m; and the thickness e between 0.1 and 10 mm. The plate-shaped element P comprises a first internal channel 100 arranged between the two opposite surfaces 101 and 102. This first internal channel 100 is intended to receive a first heat transfer fluid F1. The internal channel 100 is associated with an input E1 and an output S1 allowing the circulation of the fluid F1 within the first internal channel 100. In addition, the first channel 100 is in thermal contact with the two main surfaces 101 and 102 opposite, allowing thus to cause a heat exchange between the first coolant circulating within the first channel 100 and a second heat transfer fluid outside the element 10, in contact with said opposite heat exchange surfaces 101 and 102.
Ainsi, par l'intermédiaire des surfaces 101 et 102, le dispositif selon l'invention met en oeuvre un échange d'énergie thermique entre le premier fluide caloporteur F1 circulant au sein du premier canal interne 100 et le deuxième fluide caloporteur F2 situé à l'extérieur de l'élément 10 en contact avec lesdites surfaces opposées 101 et 102. Thus, by means of the surfaces 101 and 102, the device according to the invention implements an exchange of thermal energy between the first heat transfer fluid F1 circulating within the first internal channel 100 and the second heat transfer fluid F2 located at the outside of the element 10 in contact with said opposite surfaces 101 and 102.
Le premier canal interne 100 peut être réalisé : - par surmoulage du corps de base sur un élément de canalisation préalablement installé ou - par l'agencement de deux surfaces 101 et 102 de part et d'autre d'un élément de canalisation permettant de former une structure sandwich, - par l'agencement de deux éléments en plaque comprenant chacune un sillon correspondant à la trajectoire du canal interne 100, l'assemblage des deux surfaces permettant de définir le canal interne à partir des sillons en regard, - ou par tout autre procédé technique connu de l'état de la technique. The first internal channel 100 can be made: by over-molding the base body on a pipe element previously installed or by the arrangement of two surfaces 101 and 102 on either side of a pipe element making it possible to form a sandwich structure, - by the arrangement of two plate elements each comprising a groove corresponding to the trajectory of the inner channel 100, the assembly of the two surfaces making it possible to define the internal channel from the furrows opposite, - or by any another technical process known from the state of the art.
Il est à noter que le premier canal interne 100 décrit une trajectoire au sein de l'élément 10 permettant de faire circuler le fluide F1 du haut de l'élément 10 (bord 106) vers le bas (bord 105). La trajectoire décrite par le premier canal interne 100 effectue des allers- retours entre une première extrémité 103 et une seconde extrémité 104 en partant du haut de la plaque (à proximité du bord 106) et descendant progressivement jusqu'au bord inferieur 105 du corps de base 10. Avantageusement, le canal interne 100 comprend son entrée El au niveau de la base 105 et remonte (préférentiellement verticalement) en direction du bord 106 via l'extension 1001 du canal interne 100. Puis la trajectoire du canal interne 100 suit une suite d'allers-retours 1002 entre les extrémités 103 et 104 non débouchant (et éventuellement le bord 106) en direction de la base 105. Les différents allers-retours sont préférentiellement mais facultativement horizontaux et régulièrement espacés le long de la hauteur de la plaque et préférentiellement d'un espacement typiquement de 50 mm et sont rejoints à leurs extrémités par des extensions 1003, préférentiellement verticales. Ainsi, dans le cas où le premier fluide F1 circulant à l'intérieur de l'élément 10 est un fluide destiné à chauffer le deuxième fluide F2 circulant à l'extérieur de l'élément 10, il est à noter que plus on se situe à une position haute de l'élément 10, plus le premier fluide F1 est chaud. En effet, le fluide F1 parcourant le canal interne 100 de l'élément 10 en commençant depuis le bord haut 106 se refroidit progressivement au fur et à mur qu'il descend en direction de la base 105. It should be noted that the first internal channel 100 describes a path within the element 10 for circulating the fluid F1 from the top of the element 10 (edge 106) downward (edge 105). The path described by the first internal channel 100 back and forth between a first end 103 and a second end 104 starting from the top of the plate (close to the edge 106) and progressively descending to the lower edge 105 of the body of the base 10. Advantageously, the internal channel 100 comprises its input E1 at the base 105 and goes up (preferably vertically) towards the edge 106 via the extension 1001 of the internal channel 100. Then the trajectory of the internal channel 100 follows a continuation 1002 back and forth between the ends 103 and 104 non-opening (and possibly the edge 106) towards the base 105. The various back and forth are preferably but optionally horizontal and evenly spaced along the height of the plate and preferably with a spacing of typically 50 mm and are joined at their ends by extensions 1003, preferably vertical. Thus, in the case where the first fluid F1 flowing inside the element 10 is a fluid for heating the second fluid F2 flowing outside the element 10, it should be noted that the more one is located at a high position of the element 10, the more the first fluid F1 is hot. Indeed, the fluid F1 traversing the inner channel 100 of the element 10 starting from the top edge 106 gradually cools down as it goes down towards the base 105.
Selon une caractéristique essentielle de la présente invention, la hauteur H qui se développe préférentiellement perpendiculairement à l'axe principal A de la plaque 10 entre le bord 105 et le bord 106 varie le long de l'axe principal A de l'élément 10. Préférentiellement, la plaque présente une augmentation de la hauteur entre la première extrémité 103 de la plaque P et la deuxième extrémité 104 de telle sorte que la hauteur la plus basse H1 se situe au niveau de l'extrémité 103 et la plus haute H2 au niveau de l'extrémité 104. Préférentiellement, la différence de hauteur de l'extrémité 104 par rapport à l'autre extrémité 103 est d'une valeur relative comprise entre 5% et 100%. Préférentiellement, la différence de hauteur de l'extrémité 104 par rapport à l'autre extrémité 103 est d'une valeur absolue comprise entre 10 cm et 100 cm. Comme représenté aux figures 3a et 3b, l'augmentation de hauteur peut se faire par palier, c'est-à-dire que le bord 106 présente des paliers ou tronçons horizontaux 106a, 106b et 106c (parallèles au bord 105) de longueur différente. La transition entre les différents paliers (ou tronçons) 106a, 106b et 106c se faisant par des bords biaisés (préférentiellement d'environ 45° par rapport à l'horizontal) ou verticaux 107. Dans la partie haute de la plaque, les allers-retours de la trajectoire du canal interne 100 s'effectuent entre le bord 103 et les bords biaisés 107. En référence à la figure 3b, les surfaces d'échange de chaleur 101 et 102 comprennent avantageusement également des aspérités 108 ou/et protubérances 109 (par exemple sous la forme d'ailettes) permettant d'augmenter la turbulence dans le fluide F2 et ainsi d'améliorer le transfert thermique entre les deux fluides. En référence à la figure 4a et selon une autre réalisation possible de la présente invention, le bord 106 peut présenter un bord longitudinal rectiligne partant de l'extrémité 103 en direction de l'extrémité 104 et qui présente un angle 3 avec le bord 105. En référence aux figures 4b et 4c, il est à noter que l'élément 10 peut également être formé par un assemblage étanche (collage, soudage ou autre procédé équivalent connu de l'état de la technique) de deux plaques 1010 et 1020 présentant des déformations 1011 et 1021, préférentiellement sous la forme de sillons, de telle sorte qu'une fois les deux plaques 1010 et 1020 assemblées, les sillons forment le premier canal 100. Il est à noter que ces déformations 1011 et 1021 forment également des aspérités longitudinales 108 sur les surfaces extérieures 101 et 102 de l'élément 10. Les figures 5a et 5b présentent en pièces séparées, un dispositif d'échange de chaleur selon une réalisation particulière de la présente invention. La figure 5a représente un élément 10, tel que représenté à la figure 4, enroulé. L'axe d'enroulement peut être à proximité ou confondu avec l'axe Z situé au niveau de l'extrémité 104, au niveau de laquelle la hauteur H2 est la plus grande. Le bord 103 dont la hauteur est la plus faible H1 se situe en périphérie de l'enroulement. Ainsi, la plaque P est enroulée selon un axe d'enroulement parallèle aux extrémités 103 et 104. Le dispositif d'échange de chaleur ayant une hauteur décroissante, il présente, une fois enroulé, une partie haute d'enveloppe conique dont la hauteur est d'autant plus grande qu'elle se rapproche du centre de l'enroulement. En conséquence, de manière générale, dans le cas où le premier fluide F1 circulant à l'intérieur de l'enroulement 10 est un fluide destiné à chauffer le deuxième fluide F2 circulant à l'extérieur de l'enroulement - c'est-à-dire dans le canal formé entre les spires de l'enroulement de l'élément en plaque 10 -, et à l'exception du centre de l'enroulement (qui accueille l'extension 1001 du canal 100), plus on se situe à une zone haute de l'enroulement, plus cette zone est chaude. Au vu de la disposition du premier canal 100 au sein de l'élément 10, ce canal présente, une fois l'élément enroulé, une trajectoire en spirale (trajectoire présentant des allers-retours dans la spirale). En conséquence, le fluide F1 circulant au sein du premier canal 100 est guidé de sorte à suivre une trajectoire en spirale dont l'axe central correspond à l'axe d'enroulement. According to an essential characteristic of the present invention, the height H which preferably develops perpendicularly to the main axis A of the plate 10 between the edge 105 and the edge 106 varies along the principal axis A of the element 10. Preferably, the plate has an increase in the height between the first end 103 of the plate P and the second end 104 so that the lowest height H1 is at the end 103 and the highest H2 at the end 103. of the end 104. Preferably, the difference in height of the end 104 relative to the other end 103 is of a relative value of between 5% and 100%. Preferably, the difference in height of the end 104 relative to the other end 103 is an absolute value of between 10 cm and 100 cm. As represented in FIGS. 3a and 3b, the increase in height can be done in stages, that is to say that the edge 106 has horizontal bearings or sections 106a, 106b and 106c (parallel to the edge 105) of different lengths. . The transition between the different steps (or sections) 106a, 106b and 106c is done by skewed edges (preferably about 45 ° relative to the horizontal) or vertical edges 107. In the upper part of the plate, the allers- The return of the trajectory of the internal channel 100 takes place between the edge 103 and the skewed edges 107. With reference to FIG. 3b, the heat exchange surfaces 101 and 102 advantageously also comprise asperities 108 and / or protuberances 109 (FIG. for example in the form of fins) for increasing the turbulence in the fluid F2 and thus improve the heat transfer between the two fluids. With reference to FIG. 4a and according to another possible embodiment of the present invention, the edge 106 may have a rectilinear longitudinal edge extending from the end 103 towards the end 104 and having an angle 3 with the edge 105. With reference to FIGS. 4b and 4c, it should be noted that the element 10 can also be formed by a sealed assembly (gluing, welding or other equivalent process known from the state of the art) of two plates 1010 and 1020 having 1011 and 1021 deformations, preferably in the form of grooves, so that once the two plates 1010 and 1020 assembled, the grooves form the first channel 100. It should be noted that these deformations 1011 and 1021 also form longitudinal asperities 108 on the outer surfaces 101 and 102 of the element 10. Figures 5a and 5b have in separate parts, a heat exchange device according to a particular embodiment. of the present invention. Figure 5a shows an element 10, as shown in Figure 4, wound. The winding axis may be close to or coincident with the Z axis located at the end 104, at which the height H2 is the largest. The edge 103 whose height is the smallest H1 is at the periphery of the winding. Thus, the plate P is wound along a winding axis parallel to the ends 103 and 104. The heat exchange device having a decreasing height, it has, once wound, a top portion of conical envelope whose height is all the greater as it approaches the center of the winding. Consequently, in general, in the case where the first fluid F1 circulating inside the winding 10 is a fluid for heating the second fluid F2 flowing outside the winding - that is, in the channel formed between the turns of the winding of the plate element 10 -, and with the exception of the center of the winding (which accommodates the extension 1001 of the channel 100), the further a high area of the winding, the hotter this area is. In view of the arrangement of the first channel 100 within the element 10, this channel has, once the wound element, a spiral trajectory (trajectory presenting back and forth in the spiral). As a result, the fluid F1 flowing in the first channel 100 is guided so as to follow a spiral path whose central axis corresponds to the winding axis.
Au niveau de la spire extérieure (c'est-à-dire la plus éloignée de l'axe d'enroulement) la hauteur H1 de l'extrémité 103 est la plus faible. Il est à noter également que l'axe d'enroulement peut être différent de l'axe Z correspondant à l'extrémité 104 de la plaque et que l'enroulement peut être réalisé autour d'un espace tubulaire central dont l'axe principal est confondu avec l'axe d'enroulement. At the outer turn (that is to say furthest from the winding axis) the height H1 of the end 103 is the lowest. It should also be noted that the winding axis may be different from the Z axis corresponding to the end 104 of the plate and that the winding may be made around a central tubular space whose main axis is confused with the winding axis.
L'élément 10 enroulé est associé à une enveloppe T formant une cheminée 2 et comprenant essentiellement deux parties : - une première partie 20 préférentiellement cylindrique de section circulaire ou rectangulaire dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre de la spire extérieure de l'échangeur enroulé, avec une hauteur sensiblement égale à H1, comprenant une ouverture 202 pour l'accès du fluide F2 au canal 200 ; - la cheminée 2 comprend également une partie conique 22 conçue pour pouvoir envelopper la partie haute de l'échangeur enroulé, comprise entre les hauteurs H1 et H2, la partie conique 22 comprend donc une ouverture 222 au niveau de sa partie haute. La cheminée 2 peut également comprendre une autre partie tubulaire 24, préférentiellement de section circulaire ou rectangulaire (correspondant à la section de l'ouverture 222 de la partie conique 22), située au sommet de la partie conique tronquée 22 comprenant trois ou plusieurs ouvertures 26 situées régulièrement ou non le long de la partie tubulaire 24 et une ouverture 27 située en haut de la partie tubulaire 24. L'enveloppe T est destinée à venir envelopper l'élément 10 une fois enroulée et à assurer par guidage la circulation du fluide F2 de l'entrée 202 jusqu'à la sortie 222 via le canal 200. Sur la figure 5a, cette enveloppe T a été représentée en pointillées afin de montrer la coopération entre l'élément 10 et cette enveloppe T. En référence à la figure 6a (représentant une coupe du dispositif d'échange de chaleur une fois assemblé), l'enroulement de l'élément 10 permet de définir un deuxième canal 200 entre les spires associées. Une entrée E2 est agencée sur l'enveloppe T par exemple sous la forme d'une lumière 202 pour permettre au fluide F2 de pénétrer à l'intérieur de l'enveloppe T et accéder au canal 200. Cette entrée E2 est située au niveau de l'extrémité 103 de la spire extérieure et une sortie S2 est située au centre de l'enroulement au niveau de l'extrémité 104 pour permettre au fluide F2 de sortir de l'enveloppe T par l'ouverture 222. Ce deuxième canal 200 est dit « extérieur » par opposition au premier canal 100 (qui est situé à l'intérieur de l'élément 10). Le deuxième canal, lui, est situé entre les spires de l'élément 10 enroulé et est limité par l'enveloppe T en partie haute de l'enroulement. Ainsi, le second fluide caloporteur F2 entre par l'entrée E2 radialement externe et circule par circulation naturelle entre les spires de l'élément 10 le long du canal externe 200 pour ressortir au niveau de la sortie S2 centrale. Un des avantages de ce dispositif d'échange de chaleur est de permettre de faire circuler la second fluide F2 par circulation naturelle. Ainsi, non seulement il n'y a pas besoin d'énergie supplémentaire pour la circulation du fluide F2, mais de plus la circulation naturelle (c'est-à-dire par simple effet thermosiphon) permet une régulation automatique de la circulation du fluide F2. En effet, si l'échange thermique a un rendement élevé, le fluide F2 reçoit beaucoup d'énergie thermique, alors sa circulation s'accélère, il sort plus rapidement de l'échangeur et est donc chauffé sur une période de temps plus courte ; si au contraire l'échange thermique a un mauvais rendement, le fluide F2 reçoit moins d'énergie thermique, alors sa circulation ralentit, il reste plus longtemps au sein de l'échangeur et est donc chauffé sur une période de temps plus longue. The wound element 10 is associated with a casing T forming a chimney 2 and essentially comprising two parts: a first preferably cylindrical portion 20 of circular or rectangular section whose diameter is slightly greater than the diameter of the outer turn of the wound exchanger; , with a height substantially equal to H1, comprising an opening 202 for the access of the fluid F2 to the channel 200; - The chimney 2 also comprises a conical portion 22 designed to be able to wrap the upper part of the wound heat exchanger, between the heights H1 and H2, the conical portion 22 therefore comprises an opening 222 at its upper part. The chimney 2 may also comprise another tubular portion 24, preferably of circular or rectangular section (corresponding to the section of the opening 222 of the conical portion 22), located at the top of the truncated conical portion 22 comprising three or more openings 26 located regularly or not along the tubular portion 24 and an opening 27 located at the top of the tubular portion 24. The envelope T is intended to come to wrap the element 10 once wound and to ensure by guiding the circulation of the fluid F2 from the entry 202 to the exit 222 via the channel 200. In FIG. 5a, this envelope T has been represented in dotted lines in order to show the cooperation between the element 10 and this envelope T. Referring to FIG. (representing a section of the heat exchange device once assembled), the winding of the element 10 makes it possible to define a second channel 200 between the associated turns. An input E2 is arranged on the envelope T for example in the form of a light 202 to allow the fluid F2 to penetrate inside the envelope T and access the channel 200. This input E2 is located at the level of the end 103 of the outer turn and an output S2 is located in the center of the winding at the end 104 to allow the fluid F2 out of the envelope T through the opening 222. This second channel 200 is said "outside" as opposed to the first channel 100 (which is located inside the element 10). The second channel, it is located between the turns of the element 10 wound and is limited by the envelope T in the upper part of the winding. Thus, the second heat transfer fluid F2 enters via the radially external inlet E2 and circulates by natural circulation between the turns of the element 10 along the external channel 200 to emerge at the central outlet S2. One of the advantages of this heat exchange device is to allow the second fluid F2 to circulate by natural circulation. Thus, not only is there no need for additional energy for the circulation of the fluid F2, but also the natural circulation (that is to say by simple thermosiphon effect) allows automatic regulation of the circulation of the fluid F2. Indeed, if the heat exchange has a high efficiency, the fluid F2 receives a lot of thermal energy, so its circulation accelerates, it leaves the exchanger more quickly and is therefore heated over a shorter period of time; if on the contrary the heat exchange has a poor performance, the fluid F2 receives less heat energy, so its circulation slows down, it stays longer within the exchanger and is heated over a longer period of time.
Alternativement, une circulation forcée du fluide F2 peut être envisagée par une pompe ou tout autre moyen de circulation forcée d'un fluide connu de l'état de la technique. En référence à la figure 6a, le fluide F2 rentre par l'entrée 202 de l'enveloppe T (entrée E2) et circule dans le deuxième canal 200 tout en restant en contact avec les surfaces 101 et 102 de l'élément en plaque 10 comprenant le canal 100. Le fluide F2 est donc « chauffé » par le fluide F1 et, par effet thermosiphon, met en circulation naturelle le fluide F2 qui va remonter le long du canal externe 200 fermé en haut par l'enveloppe T pour arriver au niveau de la sortie S2. La partie conique 22 de l'enveloppe T permet donc de « fermer » la partie haute du deuxième canal 200 et d'agir sur le fluide F2 comme un élément de guidage pour le forcer à suivre la trajectoire du deuxième canal 200 entre les spires de l'élément en plaque 10. Plus le fluide F2 avance dans le deuxième canal 200 vers le centre de l'enroulement, plus les parties de l'élément 10 avec lesquels il est en contact sont chaudes et donc il accélère la circulation naturelle vers le haut par effet thermosiphon, l'enveloppe T guidant le fluide dans le canal 200. En référence à la figure 6b (sur laquelle la projection verticale de l'élément 10 sur l'enveloppe T a été représentée en transparence), l'enveloppe comprend une ouverture 222 au centre de l'enroulement. En conséquence, le fluide F2, après avoir été en contact avec la partie la plus chaude de l'enroulement 10, sort par l'ouverture 222. Ceci permet de chauffer progressivement le fluide F2 depuis l'entrée E2 du canal externe 200 vers la sortie S2 où le fluide F1 est le plus chaud. Comme le fluide F1 circule en spiral (comme expliqué précédemment) du haut de l'enroulement 10 vers le bas et que le fluide F2 circule également en spirale (dont le centre est le centre d'enroulement de l'élément 10) du bas vers le haut, cela permet d'optimiser l'échange thermique entre les deux fluides tout en gardant le même volume délimité par l'enveloppe T. L'échange thermique est de plus effectué à contre-courant afin d'améliorer encore le rendement. En améliorant le rendement de l'échangeur thermique à contre-courant, on utilise la surface d'échange de manière optimisée sans pour autant augmenter la taille de l'échangeur. Pour que l'enveloppe T puisse servir de guide au fluide F2, il faut que les spires du canal externe 200 soient hydrauliquement isolées les unes des autres, notamment au niveau de leur partie supérieure. A cet effet, il est prévu que l'élément 10 comprenne au niveau de son bord supérieur 106 une couche résiliente (par exemple sous forme d'un joint) destinée à venir en contact avec l'enveloppe T. Alternativement l'intérieur de l'enveloppe T peut être recouverte d'une couche d'étanchéité contre laquelle vient en contact le bord supérieur 106 de l'élément 10. Ainsi, l'élément 10 enroulé est en contact avec l'enveloppe T sur toute la longueur du bord 106 pour assurer l'étanchéité du canal 200. Toutefois, il est à noter que même si la jonction entre l'élément 10 et la partie conique 22 de l'enveloppe T n'est pas hermétiquement fermée et laisse passer un filet de fluide F2, l'effet de guide est globalement maintenu. Avantageusement, la cheminée de stratification 2 comprend une partie tubulaire 24 connecté avec l'ouverture 222 de la partie conique 22. Ainsi en fonction de la température du fluide F2 en sortie de l'enroulement de l'échangeur 10 (au niveau de l'ouverture 222) par rapport au fluide entourant l'enveloppe T de l'échangeur, le fluide F2 sort par différentes lumières 26 de la cheminée de stratification 2. Plus précisément, plus le fluide en sortie de l'échangeur immergé est chaud, plus il sort au niveau d'une lumière 26 haute, voire au niveau de son ouverture supérieure 27. En effet, le fluide F2 en sortie de l'échangeur remonte dans la partie tubulaire 24 de la cheminée de stratification 2 par effet thermosiphon, et s'il est plus chaud que le fluide à l'extérieur de la cheminée au niveau de la ou des lumières 26 inférieures devant lesquelles il remonte, il continue son ascension jusqu'à arriver au niveau correspondant à sa température et sort par la lumière 26 la plus proche. Alternatively, a forced circulation of the fluid F2 can be envisaged by a pump or any other means of forced circulation of a fluid known from the state of the art. With reference to FIG. 6a, the fluid F2 enters via the inlet 202 of the envelope T (inlet E2) and flows in the second channel 200 while remaining in contact with the surfaces 101 and 102 of the plate element 10 including the channel 100. The fluid F2 is "heated" by the fluid F1 and, by thermosiphon effect, puts in natural circulation the fluid F2 which will go up along the outer channel 200 closed at the top by the envelope T to reach the level of the output S2. The conical portion 22 of the envelope T thus makes it possible to "close" the upper part of the second channel 200 and to act on the fluid F2 as a guide element to force it to follow the path of the second channel 200 between the turns of the second the plate member 10. The more the fluid F2 advances in the second channel 200 towards the center of the winding, the more the parts of the element 10 with which it is in contact are hot and thus it accelerates the natural circulation towards the high by thermosiphon effect, the envelope T guiding the fluid in the channel 200. With reference to FIG. 6b (on which the vertical projection of the element 10 on the envelope T has been represented in transparency), the envelope comprises an opening 222 in the center of the winding. As a result, the fluid F2, after having been in contact with the hottest part of the winding 10, leaves through the opening 222. This makes it possible to progressively heat the fluid F2 from the inlet E2 of the external channel 200 towards the output S2 where the fluid F1 is hottest. Since the fluid F1 flows in a spiral (as explained above) from the top of the winding 10 downwards and the fluid F2 also circulates in a spiral (the center of which is the winding center of the element 10) from the bottom towards the top, this optimizes the heat exchange between the two fluids while keeping the same volume delimited by the envelope T. The heat exchange is also carried out against the current to further improve the yield. By improving the efficiency of the countercurrent heat exchanger, the exchange surface is optimally used without increasing the size of the exchanger. In order for the envelope T to serve as a guide for the fluid F2, the turns of the external channel 200 must be hydraulically isolated from each other, especially at their upper part. For this purpose, it is provided that the element 10 comprises at its upper edge 106 a resilient layer (for example in the form of a seal) intended to come into contact with the envelope T. Alternately the interior of the The envelope T may be covered with a sealing layer against which the upper edge 106 of the element 10 comes into contact. Thus, the wound element 10 is in contact with the envelope T over the entire length of the edge. to ensure the sealing of the channel 200. However, it should be noted that even if the junction between the element 10 and the conical portion 22 of the envelope T is not hermetically closed and passes a stream of fluid F2, the guiding effect is generally maintained. Advantageously, the lamination stack 2 comprises a tubular portion 24 connected with the opening 222 of the conical portion 22. Thus as a function of the fluid temperature F2 at the outlet of the winding of the exchanger 10 (at the level of the 222) relative to the fluid surrounding the envelope T of the exchanger, the fluid F2 exits through different lights 26 of the lamination stack 2. More precisely, the more the fluid at the outlet of the heat exchanger is hot, the more it exits at a high light 26, or even at its upper opening 27. In fact, the fluid F2 at the outlet of the exchanger back in the tubular portion 24 of the lamination stack 2 by thermosiphon effect, and s' it is hotter than the fluid outside the chimney at the level of the lower lumen (s) 26 before which it rises, it continues its ascension until reaching the level corresponding to its temperature and leaves by the light 26 the closer.
Ainsi, cela permet de garantir la stratification de l'ensemble du fluide contenu dans le réservoir dans lequel est situé le dispositif d'échange thermique. La figure 7 présente une vue éclatée de l'assemblage de l'élément 10 enroulé et de la cheminée 2 telle que décrite précédemment permettant de former ainsi un dispositif d'échange de chaleur et de stratification selon l'invention. Thus, this makes it possible to guarantee the stratification of all the fluid contained in the reservoir in which the heat exchange device is located. Figure 7 shows an exploded view of the assembly of the wound element 10 and the chimney 2 as described above to thereby form a heat exchange and lamination device according to the invention.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la figure 8 présente un élément 10 tel que présenté aux figures 3a ou 3b enroulé, l'enroulement est tel que le bord le plus haut 104 est situé au niveau du centre de l'enroulement et tel que le bord dont la hauteur est la plus faible 103 se situe en périphérie de l'enroulement. Ainsi, la plaque P est enroulée selon un axe d'enroulement parallèle aux extrémités 103 et 104. Le dispositif d'échange de chaleur ayant une hauteur décroissante, il présente, une fois enroulé, une partie haute d'enveloppe conique dont la hauteur est d'autant plus grande qu'elle se rapproche du centre. According to another embodiment of the present invention, FIG. 8 shows an element 10 as shown in FIGS. 3a or 3b, the winding being such that the highest edge 104 is situated at the center of the winding. and such that the edge whose height is the weakest 103 is at the periphery of the winding. Thus, the plate P is wound along a winding axis parallel to the ends 103 and 104. The heat exchange device having a decreasing height, it has, once wound, a top portion of conical envelope whose height is all the more so because it is closer to the center.
Plus précisément, le dispositif d'échange de chaleur ayant une hauteur décroissante par pallier, la partie haute comprend différents étages dont les hauteurs correspondent aux hauteurs des paliers 106c, 106b et 106a, respectivement les hauteurs H2, H3 et HI (En partant du centre de l'enroulement en direction de la spire extérieure). Préférentiellement, la longueur de chaque bord 106a, 106b et 106c est telle qu'elle correspond sensiblement à la périphérie de la spire correspondante. En conséquence, dans le cas où le premier fluide F1 circulant à l'intérieur de l'enroulement 10 est un fluide destiné à chauffer le deuxième fluide F2 circulant à l'extérieur de l'enroulement - c'est-à-dire dans le canal formé par l'enroulement de l'élément en plaque 10 -, les trois paliers 106c, 106b et 106a présentent, dans cet ordre, des zones dont la chaleur est décroissante entre les paliers ainsi que le long de ces paliers. Le haut du palier 106c est la zone la plus chaude de l'enroulement, ainsi que le centre de l'enroulement qui est en contact avec la portion 1001 du canal interne comme expliqué précédemment. De manière générale, et à l'exception du centre de l'enroulement, plus on se situe à une zone haute de l'enroulement, plus cette zone est chaude. On note que l'élément 10 enroulé comprend une entrée E2 au niveau de la dernière spire de l'enroulement radialement externe et une sortie S2 au niveau du centre de l'enroulement tel que cela est décrit plus en détail ci-après. More specifically, the heat exchange device having a decreasing height per step, the upper portion comprises different stages whose heights correspond to the heights of the bearings 106c, 106b and 106a, respectively the heights H2, H3 and HI (Starting from the center winding in the direction of the outer coil). Preferably, the length of each edge 106a, 106b and 106c is such that it corresponds substantially to the periphery of the corresponding turn. Accordingly, in the case where the first fluid F1 flowing inside the winding 10 is a fluid for heating the second fluid F2 flowing outside the winding - that is to say in the channel formed by the winding of the plate member 10 -, the three bearings 106c, 106b and 106a have, in this order, areas whose heat is decreasing between the bearings and along these bearings. The top of the bearing 106c is the hottest zone of the winding, as well as the center of the winding which is in contact with the portion 1001 of the internal channel as explained above. In general, and with the exception of the center of the winding, the more one is at a high area of the winding, the more this area is hot. Note that the wound element comprises an inlet E2 at the last turn of the radially outer winding and an output S2 at the center of the winding as described in more detail below.
En référence à la figure 9, l'élément 10 est enroulé en spiral avec des spires rectangulaires. Alternativement, il peut tout aussi bien être enroulé en spiral avec des spires circulaires. Sur cette figure est également représentée la coupe de la cheminée 2 et de ses deux parties décrites précédemment 20 et 22 qui forment l'enveloppe T, ainsi que la partie tubulaire 24. Le fluide F2 rentre par l'entrée 202 au niveau d'une partie basse de la cheminée 2 (entrée E2) afin d'être acheminée au sein de l'échangeur, le long du canal externe 200 (c'est-à-dire entre chaque spire de l'enroulement 10) pour sortir par ouverture 222 au niveau de l'axe d'enroulement vers le haut par effet thermosiphon (sortie S2). En référence à la figure 10, le fluide F2 est acheminé via une entrée E2, le long du canal externe 200, entre les spires de l'échangeur enroulé afin de garantir le contact entre d'une part les surfaces de contact 101 et 102 et le fluide F2 jusqu'au centre de l'échangeur enroulé au niveau duquel le fluide F1 circulant à l'intérieur de l'élément 10, est le plus chaud permettant de faire circuler naturellement par effet thermosiphon le fluide F2 vers le haut (comme expliqué précédemment). La figure 11 représente une coupe d'un réservoir 1 de fluide, et plus précisément un ballon d'eau chaude, comprenant un dispositif d'échange de chaleur selon l'invention immergé dans l'eau à chauffer contenue dans le réservoir 1. Le premier canal 100 au sein de l'élément 10 du dispositif d'échange de chaleur est connecté via l'entrée El et la sortie S1 du réservoir 1 à un circuit de fluide provenant d'une source chaude (par exemple un circuit solaire) de sorte que le fluide provenant d'une source chaude (par exemple un collecteur solaire) circule à l'intérieur du premier canal interne 100. Le deuxième canal 200 comprend une entrée E2 et une sortie S2 au sein du réservoir 1 de sorte que l'eau constitue le deuxième fluide F2 caloporteur circulant au sein du deuxième canal 200 comme expliqué précédemment. Bien évidemment, le réservoir 1 comprend une entrée E3 d'eau froide à chauffer pour le réservoir 1 et une sortie S3 d'eau chaude à destination d'un point d'utilisation d'eau chaude comme un réseau d'eau chaude sanitaire. La présente invention peut être adaptée à tout type d'application industrielle et/ou résidentielle et à tout type de fluide dont il faut échanger la chaleur (gaz ou liquide). Les dimensions et matériaux de la présente invention sont données à titre purement illustratif. Referring to Figure 9, the element 10 is wound spirally with rectangular turns. Alternatively, it can also be wound spirally with circular turns. In this figure is also shown the section of the chimney 2 and its two parts previously described 20 and 22 which form the envelope T, as well as the tubular portion 24. The fluid F2 enters through the inlet 202 at a lower part of the chimney 2 (inlet E2) so as to be conveyed within the exchanger, along the external channel 200 (that is to say between each turn of the winding 10) to exit by opening 222 at the winding axis upwards by thermosiphon effect (output S2). With reference to FIG. 10, the fluid F2 is conveyed via an inlet E2, along the external channel 200, between the turns of the wound exchanger in order to guarantee contact between the contact surfaces 101 and 102 and the contact surfaces 101 and 102. the fluid F2 to the center of the wound heat exchanger at which the fluid F1 flowing inside the element 10, is the hottest to circulate naturally by thermosiphon fluid F2 upward (as explained previously). FIG. 11 represents a section of a fluid reservoir 1, and more specifically a hot water tank, comprising a heat exchange device according to the invention immersed in the water to be heated contained in the tank 1. The first channel 100 within the element 10 of the heat exchange device is connected via the inlet E1 and the outlet S1 of the tank 1 to a fluid circuit coming from a hot source (for example a solar circuit) of so that the fluid from a hot source (for example a solar collector) circulates inside the first internal channel 100. The second channel 200 comprises an inlet E2 and an outlet S2 within the tank 1 so that the water constitutes the second coolant fluid F2 circulating within the second channel 200 as explained above. Of course, the tank 1 comprises an inlet E3 of cold water to be heated for the tank 1 and an outlet S3 of hot water to a point of use of hot water as a hot water network. The present invention can be adapted to any type of industrial and / or residential application and to any type of fluid whose heat (gas or liquid) must be exchanged. The dimensions and materials of the present invention are given for illustrative purposes only.
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