FR2998955A1 - Echangeur thermique a generateurs d'ultrasons - Google Patents

Abstract

Un échangeur thermique (10) comprend une pluralité de canaux (11) d'écoulement fluidique et un distributeur (12) alimenté par un flux (F) d'un fluide diphasique ayant deux phases (PL, PV) dont une phase liquide (PL) et répartissant ledit flux (F) dans la pluralité de canaux (11). Chaque canal (11) possède une entrée débouchant dans le distributeur (12). L'échangeur thermique (10) comprend au moins un générateur principal d'ultrasons (13) associé à au moins l'un desdits canaux (11) et configuré de sorte à générer une déformation (14) d'une surface libre de ladite phase liquide (PL) s'étendant à proximité de l'entrée du canal (11) associé, notamment en direction de l'entrée du canal (11) associé.

Description

Echangeur thermique à générateurs d'ultrasons Domaine technique de l'invention L'invention concerne un échangeur thermique comprenant une pluralité de canaux d'écoulement fluidique et un distributeur alimenté par un flux d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide et répartissant ledit flux dans la pluralité de canaux, chaque canal ayant une entrée débouchant dans le distributeur. L'invention a pour objet aussi une installation thermodynamique comprenant au moins un tel échangeur thermique ainsi qu'un procédé de fonctionnement d'un tel échangeur thermique. État de la technique Les échangeurs de chaleur ou échangeurs thermiques sont des composants importants intervenant dans de nombreuses applications (pétrochimie, transport, froid, énergie...). Pour améliorer la compacité et l'efficacité d'un échangeur de chaleur, il est connu de prévoir un distributeur assurant une répartition de l'écoulement fluidique dans plusieurs canaux d'écoulement fluidique où se produit l'échange thermique en tant que tel. La figure 1 montre l'exemple d'un échangeur thermique 10 à plaques. On voit que l'écoulement du fluide se partage entre les canaux 11 constitués par l'espace inter-plaques. Ces canaux 11 sont alimentés par le distributeur 12. Autrement dit, chaque canal 11 a une entrée débouchant dans le distributeur 12 et un flux fluidique F d'entrée de l'échangeur se répartit dans la pluralité de canaux 11. La conception et le dimensionnement de l'échangeur thermique sont basés sur le calcul d'une surface d'échange adaptée à une condition spécifique de fonctionnement ou un point nominal de la performance de l'échangeur thermique. Tant que les conditions de fonctionnement restent proches des conditions nominales, l'échangeur thermique est capable de transférer l'énergie thermique dans des conditions optimales. Cependant il est très fréquent que l'installation ou le procédé, où l'échangeur thermique intervient, ait des variations de fonctionnement importantes selon plusieurs paramètres tels que le débit, la température ou la pression. L'échangeur thermique peut fonctionner dans ce cas dans un domaine éloigné des conditions nominales et peut présenter des performances dégradées. Ainsi, le document Lalot et al. (1999) « Flow maldistribution in heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 19, 847-863» indique que la mauvaise distribution du fluide en entrée d'un échangeur thermique à courants croisés pouvait détériorer son efficacité thermique de 25%. L'un des paramètres pouvant fortement affecter les conditions nominales de l'échangeur thermique est la distribution du fluide à son entrée, et notamment lorsque l'un des fluides circulant dans l'échangeur thermique est un fluide diphasique F avec deux phases conjointement en présence, tel qu'un mélange diphasique entre une phase liquide notée « PL » et une phase vapeur notée « PV ». Dans la majorité des cas rencontrés, la distribution du fluide diphasique entre les canaux/tubes d'un échangeur thermique est mauvaise. Les raisons sont la grande différence de propriétés physiques entre la phase liquide et la phase gazeuse ou vapeur (masse volumique, viscosité) et l'influence de la configuration d'écoulement à l'entrée du distributeur 12, c'est-à-dire la manière dont les deux phases différentes se répartissent entre elles et leur vitesse respective. Tous ces facteurs participent à rendre l'écoulement fluidique non homogène et donc à rendre la distribution du fluide inhomogène en termes de débit et de phases entre les canaux de l'échangeur thermique. C'est ce que représente la figure 2 dans le cas d'un distributeur horizontal et alimentant de manière ascendante des canaux verticaux : la phase vapeur est prépondérante au début du distributeur tandis que la phase liquide devient de plus en plus prépondérante au fur et à mesure de l'écoulement le long de ce distributeur 12 (de la gauche vers la droite sur la figure 2). Il apparaît donc un besoin de contrôler efficacement la distribution diphasique afin d'améliorer les performances des échangeurs thermiques dans les applications utilisant un fluide diphasique avec au moins une phase liquide. Il existe des solutions tentant de répondre à ces problématiques mais ces solutions sont passives et statiques. En effet, il est impossible de les adapter aux conditions instantanées réelles lorsque les conditions de fonctionnement (débit, température, pression) évoluent dans le temps. Elles sont donc peu adaptatives et manquent de souplesse et d'efficacité. Le contrôle de la distribution diphasique est regardé essentiellement via le contrôle de la géométrie et il n'y a pas moyen de modifier ce contrôle de la distribution selon les conditions de fonctionnement et les conditions en entrée. Des exemples de telles solutions sont listés ci-dessous. Le document US20110290465 décrit un système de tube percé de multiples trous de sorte à former une clarinette de distribution à l'intérieur même du boîtier d'entrée de l'échangeur.

Dans le document US20110303401, la boîte de distribution est découpée en plusieurs zones : une première boîte dans le collecteur reçoit le fluide qui se distribue à travers différents trous avant d'entrer dans le distributeur proprement dit où débouchent les différents canaux de l'échangeur thermique. Le document US2005047360 repose sur le fait de prolonger les tubes constitutifs des canaux jusqu'à l'intérieur du distributeur afin de former des éléments perturbant l'écoulement principal dans le distributeur. La section de passage du fluide dans le distributeur varie au niveau de chaque insertion d'un tube. L'ensemble de ces solutions repose sur deux effets souhaités, avec d'une part un brassage de la phase liquide avec la phase gazeuse ou vapeur et d'autre part la création de turbulences dans le distributeur. Par contre, comme indiqué précédemment, il s'agit d'équipements statiques qui ne peuvent pas s'adapter aux conditions de fonctionnement de l'échangeur thermique.

Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer un échangeur thermique et qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.

Notamment, un objet de l'invention est de fournir un tel échangeur thermique qui soit simple et adaptable aux conditions de fonctionnement afin d'améliorer son efficacité en diminuant sa sensibilité aux variations de conditions de fonctionnement.30 Cet objectif est atteint par un échangeur thermique comprenant une pluralité de canaux d'écoulement fluidique et un distributeur alimenté par un flux d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide et répartissant ledit flux dans la pluralité de canaux, chaque canal ayant une entrée débouchant dans le distributeur. Il comprend au moins un générateur principal d'ultrasons associé à au moins l'un desdits canaux et configuré de sorte à générer une déformation d'une surface libre de ladite phase liquide s'étendant à proximité de l'entrée du canal associé, notamment en direction de l'entrée du canal associé.

L'invention proposée ici repose sur l'utilisation d'une méthode active de contrôle de la distribution de l'écoulement diphasique basé sur l'utilisation d'un ou plusieurs générateurs d'ultrasons placé(s) de manière appropriée, notamment dans le distributeur de l'échangeur thermique considéré.

Ledit au moins un générateur principal d'ultrasons associé à au moins l'un desdits canaux peut être agencé au niveau de la liaison entre le distributeur et ledit au moins un canal associé. L'échangeur thermique peut comprendre une pluralité de générateurs principaux d'ultrasons, chacun étant associé à des canaux tous différents des autres générateurs principaux. Les entrées des canaux peuvent être échelonnées à intervalles réguliers selon une première direction le long du distributeur, notamment orientée sensiblement horizontalement, correspondant à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur. Les générateurs principaux d'ultrasons peuvent être échelonnés suivant ladite première direction.

L'échangeur thermique peut notamment vérifier l'équation suivante : 2= -v < d f Où f est la fréquence temporelle d'apparition des déformations de la surface libre de la phase liquide, V est la vitesse d'écoulement de la phase liquide dans le distributeur, d est la distance séparant les entrées de deux canaux successifs et À est la longueur d'onde entre deux déformations successives de la surface libre de la phase liquide. Chaque générateur principal d'ultrasons peut être implanté dans une paroi du distributeur disposée en regard de l'entrée du canal associé suivant une deuxième direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur, les ondes ultrasonores générées par le générateur principal d'ultrasons étant sensiblement dirigées vers l'entrée du canal associé. Le distributeur peut être disposé en dessous des canaux d'écoulement fluidique qu'il alimente vers le haut, la paroi dans laquelle ledit au moins un générateur principal d'ultrasons est implanté étant constituée par une paroi inférieure du distributeur. Les entrées desdits canaux peuvent déboucher dans le distributeur au niveau d'une paroi supérieure du distributeur décalée suivant ladite deuxième direction par rapport à ladite paroi inférieure du distributeur. La direction dans laquelle sont dirigées les ondes ultrasonores générées par le générateur principal d'ultrasons peuvent former un angle compris entre 0 et 10 degrés, et de préférence compris entre 0 et 7 degrés, par rapport à une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur, en étant inclinée dans un sens opposé au sens d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur. La surface émettrice du générateur à ultrasons peut être inclinée selon un angle par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur compris entre 0 et 10 degrés, notamment compris entre 0 et 7 degrés. L'échangeur thermique peut comprendre au moins un générateur auxiliaire d'ultrasons solidaire du distributeur à un emplacement situé en amont des canaux d'écoulement fluidique vu dans le sens d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur et agencé de sorte à générer des ondes ultrasonores dirigées vers ledit flux d'une manière perturbant et dispersant localement son écoulement en brassant lesdites deux phases du fluide diphasique.

Chaque générateur principal ou auxiliaire d'ultrasons peut être implanté dans une cavité formée dans le distributeur et ayant une profondeur telle que la hauteur de la phase liquide du fluide séparant le générateur d'ultrasons et la surface libre de la phase liquide est incluse dans une plage entre 1 et 6 cm, notamment entre 2 et 4 cm.

La cavité peut présenter une partie tronconique sur tout ou partie de sa profondeur, agencée de sorte à s'ouvrir en direction du canal associé au générateur d'ultrasons implanté dans la cavité. Une installation thermodynamique peut comprendre au moins un tel échangeur thermique de sorte à constituer une pompe à chaleur, une 2 99 8955 8 machine frigorifique, un système d'air conditionné, ou une machine de Rankine. Description sommaire des dessins 5 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un exemple d'échangeur 10 thermique à plaques, - la figure 2 illustre le principe de la distribution d'un mélange liquide/vapeur dans un distributeur d'un échangeur thermique horizontal avec des canaux verticaux ascendants, - les figures 3 à 5 représentent un exemple d'échangeur thermique 15 selon l'invention, - la figure 6 illustre un exemple de distributeur pour échangeur thermique muni de générateurs d'ultrasons, - la figure 7 représente l'évolution de la hauteur relative de la fontaine à ultrasons en fonction de la hauteur de liquide au-dessus 20 du générateur d'ultrasons, pour deux fluides différents (de l'eau pour les points de forme carrée ou de l'eau glycolée à 30% pour les points de forme en losange), - la figure 8 représente l'aménagement d'une cavité dans laquelle est implanté un générateur d'ultrasons, - les figures 9 et 10 représentent chacune la comparaison de la distribution liquide avec et sans application des ultrasons, respectivement dans le cas d'un débit d'eau de 100 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h et dans le cas d'un débit d'eau de 375 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h, - les figures 11 et 12 représentent deux exemples d'une cavité dans laquelle est implanté un générateur d'ultrasons, - et la figure 13 représente le principe de formation d'un train de fontaines à ultrasons en dynamique sous l'effet d'un écoulement de la phase liquide. Description de modes préférentiels de l'invention L'invention qui va être décrite ci-après en référence aux figures 3 à 13, concerne un échangeur thermique 10 comprenant une pluralité de canaux 11 d'écoulement fluidique et un distributeur 12 destiné à être alimenté par un flux F d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide PL. Le distributeur 12 sert à répartir le flux dans la pluralité de canaux 11. A cet effet, chaque canal 11 possède une entrée qui débouche à l'intérieur du conduit du distributeur 12. Le fluide comprend une autre phase simultanément en présence de la phase liquide, c'est-à-dire une phase vapeur telle que représentée ou une phase gazeuse de manière générale. Autrement dit, la phase gazeuse peut être formée par le même constituant que celui de la phase liquide et, dans ce cas particulier, la phase gazeuse peut être appelée phase vapeur. Par simplicité, les références sont conservées pour des dénominations identiques par rapport à la description sommaire des figures 1 et 2.

L'invention concerne aussi une installation thermodynamique qui comprend au moins un tel échangeur thermique 10, de sorte à constituer une pompe à chaleur, une machine frigorifique, un système d'air conditionné, ou une machine de Rankine. Une telle installation thermodynamique ne sera pas décrite en détail ici.30 Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'échangeur thermique 10 comprend au moins un générateur principal d'ultrasons 13 (figures 3 et 4) associé à au moins l'un des canaux 11 qui lui est associé. Le générateur d'ultrasons 13 est configuré de sorte à émettre un faisceau à ultrasons repéré 15 en direction du canal 11, dans la phase liquide PL. Ceci a pour effet très avantageux de pouvoir générer une déformation 14 d'une surface libre de la phase liquide PL, cette déformation s'étendant à proximité de l'entrée du canal 11 associé selon une direction quelconque. Le générateur d'ultrasons 13 peut être porté par toute pièce constitutive de l'échangeur thermique 10, avantageusement par le distributeur 12 comme il le sera détaillé plus loin. Par « à proximité », il est considéré que la distance séparant le générateur principal 13 et l'entrée du canal associé est inférieure à la grandeur de la déformation 14 résultant de ce générateur principal 13. Dans un mode particulier de réalisation, ledit au moins un générateur principal d'ultrasons 13 associé à au moins l'un des canaux 11 est agencé au niveau de la liaison entre le distributeur 12 et ledit au moins un canal 11. Dans un mode particulier de réalisation, l'échangeur thermique sera configuré de sorte que la déformation 14 s'étend en direction de l'entrée du canal (11) associé. Toutefois, il est possible de prévoir que le faisceau 15 soit émis selon une direction telle que la déformation 14 qui en résulte soit globalement orthogonale à la direction du canal 11. Pour un écoulement stratifié notamment, comme cela est représenté sur les figures avec une ségrégation de la phase liquide PL et de la phase gazeuse ou vapeur PV par gravitation, la distribution diphasique peut être fortement améliorée, notamment celle de la phase liquide, grâce au brassage des deux phases séparées résultant de l'effet du faisceau à ultrasons 15. En effet, sous l'effet du générateur d'ultrasons 13, il se crée la déformation 14 qui est aussi connue sous le nom de « fontaine ultrasonore » pour des procédés de pulvérisation (Figure 4 et 13). Pour cela, le générateur d'ultrasons 13 est avantageusement placé sous une certaine hauteur de liquide de la phase liquide PL. La déformation 14 produite à l'endroit où le faisceau d'ultrasons 15 rencontre la phase liquide PL constitue un jet de liquide. Il convient donc de diriger ce faisceau d'ultrasons 15 sur la phase liquide PL de l'écoulement diphasique pour obliger le liquide, par l'intermédiaire de la déformation 14 avantageusement générée, à pénétrer dans le canal 11 désiré, i.e. associé au générateur d'ultrasons 13. La perte de pression dans le distributeur 12 est en sus avantageusement peu modifiée. Dans un tel écoulement fluidique diphasique et stratifié, la surface libre de la phase liquide correspond à la surface d'interface avec la phase gazeuse ou vapeur PV. Des essais ont montré que l'application des principes évoqués ci-dessus ne présente un intérêt que dans le cas particulier visé par l'invention, à savoir le cas d'un distributeur 12 alimenté par un flux F d'un fluide diphasique ayant deux phases dont une phase liquide PL. En effet, son application sur un écoulement fluidique contenant uniquement une phase liquide n'apporte aucune amélioration remarquable de la distribution fluidique parmi les canaux 11.

Lorsque la surface libre de la phase liquide PL n'est pas statique, mais au contraire est mobile par rapport au générateur d'ultrasons 13 comme c'est le cas ici (le liquide défilant à une vitesse donnée à l'intérieur du distributeur 12 correspondant au rapport entre le flux F et la surface du conduit interne du distributeur 12), il apparait en effet une répétition ou « train » de déformations 14, également appelées fontaines à ultrasons, comme représenté sur la figure 13. Cette structure créée au-dessus du générateur d'ultrasons 13, par l'application du faisceau à ultrasons 15, est entraînée par la vitesse V d'écoulement de la partie liquide PL et reste cohérente sur une longueur d'onde À dépendant de la vitesse V du liquide et la fréquence f d'apparition des déformations 14. La fréquence d'apparition f est une caractéristique propre du générateur d'ultrasons 13, dépendant par exemple du traitement électronique et de la fréquence de l'alimentation électrique.

Pour un fonctionnement optimal de l'échangeur thermique 10 selon l'invention, il est intéressant d'adapter la fréquence d'apparition f de manière à ce que la déformation 14 puisse se réaliser dans l'espace entre deux canaux 11 successifs, c'est-à-dire que la longueur d'onde À entre deux déformations 14 successives ne doit pas dépasser la distance d entre deux canaux 11 successifs. Il est donc particulièrement avantageux de faire en sorte que l'échangeur thermique 10 vérifie l'équation suivante : V 2= - d f Où f est la fréquence temporelle d'apparition des déformations 14 de la surface libre de la phase liquide, V est la vitesse d'écoulement de la phase liquide PL dans le distributeur 12, d est la distance séparant les entrées de deux canaux 11 successifs et À est la longueur d'onde entre deux déformations 14 successives de la surface libre de la phase liquide PL.

En installant une pluralité de générateurs d'ultrasons 13 d'une manière régulière dans le distributeur 12, comme cela est représenté sur la figure 3 par exemple, la création des déformations 14 successives constitutives des fontaines à ultrasons permet une déstructuration de l'écoulement fluidique stratifié entre les phases liquide PL et gazeuse ou vapeur PV, 2 9 9 895 5 13 permettant un brassage de l'écoulement et une meilleure distribution entre les canaux 11 de l'échangeur thermique 10. C'est pourquoi, l'échangeur thermique 10 peut comprendre une pluralité 5 de générateurs principaux d'ultrasons 13, avantageusement autant que de canaux 11 d'écoulement fluidique alimentés par le distributeur 12. Au niveau de la liaison entre le distributeur 12 et chaque canal 11, un générateur principal d'ultrasons 13 est agencé et configuré de sorte à générer une déformation 14 de la surface libre de la phase liquide PL 10 s'étendant en direction de l'entrée du canal 11 associé. Il reste toutefois envisageable de prévoir un nombre inférieur de générateurs principaux d'ultrasons 13 que de canaux 11, en les plaçant par exemple au niveau des seuls canaux 11 où la distribution diphasique doit être améliorée ou bien à des emplacements situés entre deux entrées de canaux adjacents 15 ou bien en dimensionnant la largeur du générateur à ultrasons principal de sorte à ce qu'elle soit supérieure au pas d'échelonnement des canaux. Ainsi, il est possible de prévoir qu'un générateur d'ultrasons principal 20 donné soit associé à plusieurs canaux 11. Dans ce cas, ce générateur principal commun à au moins deux canaux 11 adjacents pourra être suffisamment large pour être disposé en vis-à-vis de plusieurs entrées des canaux 11. 25 D'autre part, il est envisageable de prévoir qu'un générateur à ultrasons principal donné soit disposé entre deux entrées de canaux 11. Ce cas de figure particulier peut notamment être envisagé si les distances entre les canaux 11 sont petites. 30 Comme représenté sur la figure 3, les entrées des canaux 11 sont fréquemment échelonnées, en particulier à intervalles réguliers, selon une première direction V1 le long du distributeur 12. La première direction V1 correspond à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur 12 et peut par exemple être orientée sensiblement horizontalement. Les générateurs principaux d'ultrasons 13 sont alors échelonnés suivant la première direction V1 ainsi définie, d'une manière que chaque générateur principal d'ultrasons 13 est en-vis-à-vis d'une entrée d'un canal 11 associé, chaque entrée de canal 11 ayant ou non un générateur d'ultrasons 13 en vis-à-vis.

Dans un mode particulier de réalisation, chaque générateur principal d'ultrasons 13 est implanté dans une paroi du distributeur 12. Il s'agit notamment d'une paroi du distributeur 12 disposée en regard de l'entrée du canal 11 qui lui est associé suivant une deuxième direction V2. La deuxième direction V2 est par exemple perpendiculaire à la première direction V1 et donc à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur 12 de sorte qu'elle peut notamment être orientée sensiblement verticalement. Les ondes ultrasonores du faisceau 15 générées par le générateur principal d'ultrasons 13 sont sensiblement dirigées vers l'entrée du canal 11 associé. Par « sensiblement dirigé » il convient de comprendre « exactement dirigé » ou « approximativement dirigé à +/- 10 degrés ». Pour un fonctionnement optimal de l'échangeur thermique 10 décrit ici, le distributeur 12 sera disposé en dessous des canaux 11 d'écoulement fluidique qu'il alimente vers le haut. Ainsi, la paroi dans laquelle chaque générateur principal d'ultrasons 13 est implanté est constituée par la paroi inférieure du distributeur 12 vue selon la direction verticale, correspondant à la deuxième direction V2 dans cet exemple. Les entrées des canaux 11 débouchent quant à eux dans le distributeur 12 au niveau d'une paroi supérieure du distributeur 12 décalée suivant la deuxième direction V2 par rapport à la paroi inférieure du distributeur 12.

Avantageusement, la direction dans laquelle sont dirigées les ondes ultrasonores générées par chaque générateur principal d'ultrasons 13 forme un angle compris entre 0 et 10 degrés par rapport à une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12, notamment compris entre 0 et 7 degrés, en étant inclinée dans un sens opposé au sens d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12. Cette inclinaison permet de générer une déformation 14 d'une surface libre de la phase liquide PL s'étendant en direction de l'entrée du canal 11 associé. Autrement dit, le faisceau d'ultrasons 15 n'est pas orienté selon la direction V2 perpendiculaire à la direction V1, mais forme au contraire un angle avec la direction V1 compris avantageusement dans une plage entre 83 et 90 degrés. Pour parvenir à ce résultat de manière simple, il est avantageux de prévoir que la surface émettrice du générateur principal d'ultrasons 13 soit inclinée selon un angle a par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur 12, donc par rapport à D1, compris entre 0 et 10 degrés, notamment compris entre 0 et 7 degrés. C'est ce qu'illustrent les figures 8, 11, 12 en exagérant la valeur de l'angle a, qui n'est pas à l'échelle sur la figure. En référence à la figure 5 maintenant, l'échangeur thermique 10 peut comprendre au moins un générateur auxiliaire d'ultrasons 16. Ce générateur 16 est dit « auxiliaire » pour le différentier des générateurs dits « principaux » précédemment décrits, car il n'est pas associé à un canal 11 donné et n'a pas pour vocation de créer une fontaine à ultrasons en direction d'une entrée d'un canal 11 de l'échangeur 10. Au contraire, le générateur auxiliaire d'ultrasons 16 est solidaire du distributeur 12 à un emplacement situé en amont de tous les canaux 11 d'écoulement fluidique vu dans le sens d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12. Il est agencé de sorte à générer des ondes ultrasonores 17 dirigées vers le flux F, par exemple perpendiculairement à sa direction d'écoulement (donc par rapport à V1), d'une manière perturbant et dispersant localement son écoulement en brassant les deux phases PL, PV du fluide diphasique. Cet effet est représenté sur la figure 5 par le fait que le fluide est représenté en aval du générateur auxiliaire 16, vu suivant le sens d'écoulement, par un milieu diphasique homogène à l'aide de pointillés uniformément répartis à l'intérieur du distributeur 12 et des canaux 11. Au contraire, en amont du générateur auxiliaire, l'écoulement fluidique est représenté par un milieu diphasique hétérogène avec conjointement une phase liquide PL et une phase vapeur PV. Cette variante est intéressante car des essais ont montré que le premier canal 11 de l'échangeur 10, vu dans le sens d'écoulement fluidique, était sensible à la présence d'un générateur auxiliaire d'ultrasons 16 en amont de celui-ci. Par contre ce générateur 16 n'a pas ou peu d'effet sur la distribution dans les canaux 11 au-delà du premier canal 11. Ainsi, les générateurs d'ultrasons vont agir de deux manières possibles : - par la création d'une déformation 14 qui vient réalimenter les canaux 11 en vis-à-vis, par l'intermédiaire des générateurs principaux 13, - par la nébulisation et la déstructuration de l'écoulement diphasique le long du distributeur 12, par l'intermédiaire dudit au moins un générateur auxiliaire 16.

II est aussi possible d'utiliser ledit au moins un générateur d'ultrasons dit auxiliaire de manière seule et isolée, c'est-à-dire sans que les générateurs d'ultrasons principaux 13 ne soient utilisés. Il est même possible de prévoir que l'échangeur thermique ne soit équipé que d'au moins un générateur à ultrasons auxiliaire tel que défini précédemment, sans que ledit échangeur thermique ne soit équipé d'aucun générateur d'ultrasons dit principal.

Comme cela est représenté sur la figure 8, chaque générateur principal d'ultrasons 13, 16 est avantageusement implanté dans une cavité 18 formée dans le distributeur 12. La cavité 18 présente une profondeur (H1+H2) totale telle que la hauteur HT de la phase liquide PL du fluide séparant le générateur d'ultrasons 13 et la surface libre de la phase liquide PL est incluse dans une plage entre 1 et 5 cm, notamment entre 2 et 4 cm. Une telle hauteur de liquide au-dessus du générateur 13 a pour effet de maximiser autant que possible la hauteur de la déformation 14 de la surface libre, notamment de sorte que sa hauteur soit au moins supérieure ou égale à la hauteur du distributeur 12 comptée suivant une direction perpendiculaire à V1 et donc à la direction d'écoulement du flux F de fluide diphasique dans le distributeur 12, i.e. suivant la direction V2. Ces dispositions peuvent être identiques ou non pour le générateur auxiliaire 16. En effet, la figure 7 représente l'évolution de la hauteur relative de la fontaine à ultrasons en fonction de la hauteur de liquide au-dessus du générateur d'ultrasons, pour deux fluides différents, à savoir de l'eau pour les points de forme carrée ou de l'eau avec du glycol à 30% pour les points de forme en losange. Il ressort de ce graphe une zone Z comprise entre les abscisses 1 et 6 cm au niveau de laquelle la hauteur relative de la fontaine à ultrasons est maximale, en regard des autres abscisses. Il convient donc de rechercher à appartenir à la zone Z pour maximiser l'effet des générateurs d'ultrasons 13, 16. Ainsi, les dispositions décrites précédemment obligent à une conception spécifique du distributeur 12, comme représenté sur la figure 6 : afin d'assurer un niveau de liquide minimum au-dessus du générateur 13, une série de cavités 18 sont préparées dans la paroi inférieure du distributeur 12, à des emplacements disposés en vis-à-vis des canaux 11 de l'échangeur 10 suivant la direction V2. De manière générale, la cavité 18 présente une partie tronconique sur tout ou partie de sa profondeur, agencée de sorte à s'ouvrir en direction du canal 11 associé au générateur d'ultrasons 13 implanté dans la cavité 18. A titre d'exemple sur la figure 8, la cavité comprend un tronçon cylindrique sur une hauteur H1 depuis le générateur d'ultrasons 13, par exemple d'environ 2 cm, se prolongeant par un tronçon tronconique sur une hauteur H2 en direction du conduit interne délimité par le distributeur 12, par exemple de l'ordre de 1 cm. La hauteur totale de la cavité 18 est donc la somme des hauteurs H1 et H2 dans cet exemple particulier. Toujours dans cet exemple particulier, le diamètre D1 de la cavité 18 au niveau du tronçon cylindrique est de l'ordre de 18 mm. Le diamètre de la cavité 18 au niveau de son embouchure dans le conduit interne délimité par le distributeur 12 est quant à lui noté D2, et est supérieur à D1 en raison de l'angle d'ouverture 13 du tronçon tronconique. Sur la figure 11, contrairement à l'exemple de la figure 8, toute la hauteur de la cavité 18 est de forme tronconique. Cette géométrie a l'avantage d'être plus simple à réaliser. Par contre la forme de la figure 12 correspond globalement à celle optimisée de la figure 8, ce qui permet de réduire le volume de fluide inerte contenu dans la cavité 18.

Dans le cas d'une cavité selon la figure 11, il sera fait en sorte que l'échangeur thermique 10 vérifie la loi mathématique suivante : fl <900 a Où 13 est l'angle d'ouverture du tronçon tronconique de la cavité 18 compté par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur (et donc par rapport à V1) et a est un angle d'inclinaison du générateur d'ultrasons par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur 12 (et donc par rapport à V1 également).

Ces dispositions sont représentées sur les figures 11 et 12 respectivement dans le cas où le tronçon tronconique d'angle d'ouverture p s'étend sur toute la hauteur de la cavité 18 ou seulement sur une partie supérieure.

Pour une cavité identique aux figures 8 ou 12, la relation mathématique doit prendre en compte en plus les paramètres D1, D2, H1 et H2. Il sera avantageusement fait en sorte de vérifier les lois suivantes : H1<D1 et H2<(D2-D1) Ces deux conditions permettent d'éviter l'impact des ultrasons sur les parois de la cavité 18. L'invention décrite précédemment permet finalement d'améliorer la distribution fluidique par le distributeur 12 de manière significative. La figure 9 représente la comparaison de la distribution liquide avec et sans application des ultrasons dans le cas d'un débit d'eau de 100 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h. L'abscisse correspond au numéro du canal 11 compté suivant le sens d'écoulement fluidique dans le distributeur 12. L'ordonnée correspond à la proportion de liquide notée R dans chaque canal 11. La figure 9 montre une amélioration franche et un changement radical de la distribution du liquide dans un échangeur composé de 10 canaux sous l'effet des ultrasons, sur les huit premiers canaux 11 où la courbe avec les losanges est nettement au-dessus de la courbe avec les carrés.30 La figure 10 est un graphe identique mais dans le cas d'un débit d'eau de 375 kg/h et un débit forcé d'air de 30 kg/h. Elle montre une modification plus modeste de la distribution du liquide entre les canaux 11. Toutefois, l'amélioration reste notable d'un point de vue global, puisque le facteur STD pour le liquide, qui marque la déviation (écart-type à la moyenne homogène) reste bien inférieur à la valeur sans ultrason (déviation négative). Ce coefficient STD (pour « Standard Deviation » en terminologie anglosaxonne) correspondant à l'écart-type de la distribution est défini par la formule suivante : STD tN 2 (Ri - Ri ) i=1 Où, N est égal au nombre de canaux et W, à la moyenne des ratios. Ce coefficient est donc égal à 1 pour une distribution homogène. On note néanmoins une amélioration globale plus sensible aux faibles débits liquides en entrée de l'échangeur. Dans le distributeur 12 de l'échangeur thermique 10 précédemment décrit, il s'opère le changement de régime d'écoulement suivant sous l'effet des générateurs d'ultrasons 13, 16 : - l'apparition des déformations 14 constitutives de fontaines à ultrasons, - un brassage de l'écoulement par cisaillement des fontaines liquides par l'écoulement gazeux, - une déstructuration de l'écoulement et finalement une disparition d'un écoulement stratifié, remplacé avantageusement (au moins pour le premier canal 11) par un écoulement fortement agité. Avantageusement, l'échangeur thermique 10 sera (suivant l'installation thermodynamique le mettant en oeuvre) du type à plaques ou à tubes, notamment à mini-canaux extrudés en aluminium, dans lequel une pluralité de plaques ou de tubes délimitent deux à deux les canaux 11 d'écoulement fluidique évoqués précédemment.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Echangeur thermique (10) comprenant une pluralité de canaux (11) d'écoulement fluidique et un distributeur (12) alimenté par un flux (F) d'un fluide diphasique ayant deux phases (PL, PV) dont une phase liquide (PL) et répartissant ledit flux (F) dans la pluralité de canaux (11), chaque canal (11) ayant une entrée débouchant dans le distributeur (12), caractérisé en ce que l'échangeur thermique (10) comprend au moins un générateur principal d'ultrasons (13) associé à au moins l'un desdits canaux (11), et configuré de sorte à générer une déformation (14) d'une surface libre de ladite phase liquide (PL) s'étendant à proximité de l'entrée du canal (11) associé, notamment en direction de l'entrée du canal (11) associé.
2. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un générateur principal d'ultrasons (13) associé à au moins l'un desdits canaux (11) est agencé au niveau de la liaison entre le distributeur (12) et ledit au moins un canal (11) associé.
3. 3. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (10) comprend une pluralité de générateurs principaux d'ultrasons (13), chacun étant associé à des canaux tous différents des autres générateurs principaux.
4. 4. Echangeur thermique (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les entrées des canaux (11) sont échelonnées à intervalles réguliers selon une première direction (V1) le long du distributeur (12), notamment orientée sensiblement horizontalement, correspondant à la direction d'écoulement du flux (F) de fluide diphasique à l'intérieur dudistributeur (12) et en ce que les générateurs principaux d'ultrasons (13) sont échelonnés suivant ladite première direction (V1).
5. 5. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il vérifie l'équation suivante : 2= -v < d f Où f est la fréquence temporelle d'apparition des déformations (14) de la surface libre de la phase liquide, V est la vitesse d'écoulement de la phase liquide (PL) dans le distributeur (12), d est la distance séparant les entrées de deux canaux (11) successifs et À est la longueur d'onde entre deux déformations (14) successives de la surface libre de la phase liquide (PL).
6. 6. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque générateur principal d'ultrasons (13) est implanté dans une paroi du distributeur (12) disposée en regard de l'entrée du canal (11) associé suivant une deuxième direction (V2) perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux (F) de fluide diphasique à l'intérieur du distributeur (12), les ondes ultrasonores générées par le générateur principal d'ultrasons (13) étant sensiblement dirigées vers l'entrée du canal (11) associé.
7. 7. Echangeur thermique (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le distributeur (12) est disposé en dessous des canaux (11) d'écoulement fluidique qu'il alimente vers le haut, en ce que la paroi dans laquelle ledit au moins un générateur principal d'ultrasons (13) est implanté est constituée par une paroi inférieure du distributeur (12) et ence que les entrées desdits canaux (11) débouchent dans le distributeur (12) au niveau d'une paroi supérieure du distributeur (12) décalée suivant ladite deuxième direction (V2) par rapport à ladite paroi inférieure du distributeur (12).
8. 8. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la direction dans laquelle sont dirigées les ondes ultrasonores (15) générées par le générateur principal d'ultrasons (13) forme un angle compris entre 0 et 10 degrés, et de préférence compris entre 0 et 7 degrés, par rapport à une direction perpendiculaire à la direction d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur (12), en étant inclinée dans un sens opposé au sens d'écoulement du flux de fluide diphasique dans le distributeur (12).
9. 9. Echangeur thermique (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la surface émettrice du générateur à ultrasons (13) est inclinée selon un angle (a) par rapport à la direction d'écoulement du fluide dans le distributeur compris entre 0 et 10 degrés, notamment compris entre 0 et 7 degrés.
10. 10. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (10) comprend au moins un générateur auxiliaire d'ultrasons (16) solidaire du distributeur (12) à un emplacement situé en amont des canaux (11) d'écoulement fluidique vu dans le sens d'écoulement du flux (F) de fluide diphasique dans le distributeur (12) et agencé de sorte à générer des ondes ultrasonores (17) dirigées vers ledit flux (F) d'une manière perturbant et dispersant localement son écoulement en brassant lesdites deux phases (PL, PV) du fluide diphasique.
11. 11. Echangeur thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que chaque générateur principal ou auxiliaire d'ultrasons (13, 16) est implanté dans une cavité (18) formée dans le distributeur (12) et ayant une profondeur (H1+H2) telle que la hauteur (HT) de la phase liquide (PL) du fluide séparant le générateur d'ultrasons (13, 16) et la surface libre de la phase liquide (PL) est incluse dans une plage entre 1 et 6 cm, notamment entre 2 et 4 cm.
12. 12. Echangeur thermique (10) selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cavité (18) présente une partie tronconique sur tout ou partie de sa profondeur, agencée de sorte à s'ouvrir en direction du canal associé au générateur d'ultrasons (13, 16) implanté dans la cavité (18).
13. 13. Installation thermodynamique comprenant au moins un échangeur thermique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes de sorte à constituer une pompe à chaleur, une machine frigorifique, un système d'air conditionné, ou une machine de Rankine.