FR3091656A1 - Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique - Google Patents

Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique Download PDF

Info

Publication number
FR3091656A1
FR3091656A1 FR1900370A FR1900370A FR3091656A1 FR 3091656 A1 FR3091656 A1 FR 3091656A1 FR 1900370 A FR1900370 A FR 1900370A FR 1900370 A FR1900370 A FR 1900370A FR 3091656 A1 FR3091656 A1 FR 3091656A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
channel
cylindrical body
groove
helical
generating element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR1900370A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3091656B1 (fr
Inventor
Yves LE GUER
Kamal EL OMARI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite de Pau et des Pays de lAdour
Original Assignee
Universite de Pau et des Pays de lAdour
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite de Pau et des Pays de lAdour filed Critical Universite de Pau et des Pays de lAdour
Priority to FR1900370A priority Critical patent/FR3091656B1/fr
Priority to PCT/FR2020/050044 priority patent/WO2020148501A1/fr
Publication of FR3091656A1 publication Critical patent/FR3091656A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3091656B1 publication Critical patent/FR3091656B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0265—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
    • B01F25/4331—Mixers with bended, curved, coiled, wounded mixing tubes or comprising elements for bending the flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
    • B01F25/434—Mixing tubes comprising cylindrical or conical inserts provided with grooves or protrusions
    • B01F25/4341—Mixing tubes comprising cylindrical or conical inserts provided with grooves or protrusions the insert being provided with helical grooves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation

Abstract

La présente invention concerne un élément générateur d’un écoulement d’advection chaotique (100) comprenant un corps allongé (101) comportant un axe principal Z-Z, et un canal (110), ledit canal étant formé suivant une génératrice résultant d’une superposition d’une courbe hélicoïdale développée suivant ledit axe principal et d’une courbe ondulée développée de part et d’autre de ladite courbe hélicoïdale de manière à présenter au moins deux plans de courbure orientés dans deux orientations différentes. Un tel élément générateur d’un écoulement d’advection chaotique peut être utilisé dans des échangeurs de chaleur, des mélangeurs classiques, dans des réacteurs chimiques ou pour tout autre dispositif nécessitant un mélange homogène des particules de fluide afin d’atteindre des performances optimales. Fig. 6

Description

Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique
L’invention relève du domaine des processus de mélange qui sont particulièrement courants dans les dispositifs industriels tels qu’un échangeur de chaleur, un mélangeur ou un réacteur chimique. Plus précisément la présente invention concerne un élément pour générer un écoulement d’advection chaotique dans un fluide pour améliorer le processus de mélange ou l’échange thermique.
La présente invention concerne également un procédé pour fabriquer un tel élément générateur.
La présente invention concerne encore un échangeur mélangeur à effet d’advection chaotique comprenant au moins un tel élément générateur.
Dans un échangeur de chaleur, on fait circuler un fluide froid ou chaud dans un conduit en contact d’un autre fluide pour réaliser un transfert thermique. Pour améliorer le processus de ce transfert thermique, il est très important que l’autre fluide soit mélangé efficacement afin que le transfert thermique soit homogène le long de la circulation du fluide dans le conduit. Ce critère est d’autant plus vrai lorsque la viscosité du fluide est importante. Un mélange hétérogène induit des transferts thermiques inégaux suivant les zones dans le conduit et peut provoquer des zones surchauffées et des zones froides, induisant ainsi des pertes d’énergie. De même, dans le cas des processus de fabrication industrielle (industrie chimique, pharmaceutique pétrolière, etc..), il est primordial que le mélange entre plusieurs fluides soit optimal car un mélange insuffisant et/ou inhomogène a pour conséquence des produits de qualité inférieure.
Pour résoudre le problème d’inhomogénéité de chauffage et de mélange, il est connu de générer un écoulement en régime d’advection chaotique et d’obtenir un mélange homogène, et ce quelle que soit la viscosité des fluides utilisés. Le phénomène d’advection chaotique, ou encore mélange chaotique est basé sur l’existence de mouvements chaotiques des particules en écoulement laminaire. Pour obtenir ces mouvements chaotiques des particules, on fait circuler le fluide dans un tube ayant une géométrique particulière de manière à imposer aux particules du fluide de suivre des trajectoires chaotiques. Ces trajectoires chaotiques sont générées suite à la combinaison des cellules tourbillonnaires longitudinales dites « cellules de Dean » qui apparaissent au sein des canaux courbes et des changements d’orientation entre un plan de courbure et le plan de courbure suivant.
Par plan de courbure, on entend le plan contenant le centre de courbure et la tangente de la portion en arc de cercle de la portion courbe.
La Figure 1A illustre une portion courbe d’un conduit 1 de l’état de la technique. L’écoulement du fluide est représenté par une ligne de courant 2. En raison du déséquilibre créé entre le gradient de pression transversal et la force centrifuge qui est liée à la courbure du conduit, de part et d’autre du plan médian 3 du conduit courbe se développent des cellules tourbillonnaires longitudinales ou des trajectoires hélicoïdales contrarotatives pour les particules du fluide. Ces cellules sont appelées cellules de Dean 4 et elles peuvent être générées quelle que soit la forme de la section du conduit. Elle peut être par exemple rectangulaire (Figure 1B) ou circulaire (Figure 2C).
Pour pourvoir générer un écoulement laminaire en régime d’advection chaotique, deux portions courbes constitutives du conduit doivent délimiter deux plans de courbure orientés entre eux de manière à introduire une discontinuité géométrique de l’écoulement du fluide par variation dans l’espace des plans de courbure. Les plans de courbure sont de ce fait décalés dans l’espace et peuvent être par exemple orthogonaux.
La Figure 2 représente un autre exemple de conduit 5 connu qui permet de générer l’advection chaotique. Le conduit comporte une entrée de fluide A et une sortie de fluide B. Le conduit forme ici par exemple un circuit ouvert. Il comprend un ensemble d’éléments creux rectilignes 6, 7, 8, 9 et d’éléments creux courbes 10, 11, 12. Le fluide s’écoule depuis l’entrée A jusqu’à la sortie B à travers les éléments creux. Afin d’obtenir le régime d’advection chaotique, les plans de courbures associés respectivement aux éléments courbes 10, 11 et 12 sont orientés dans des orientations différentes. Comme l’illustre la figure 2, le plan de courbure P1 associé à l’élément courbe 10 et le plan de courbure P2 associé à l’élément courbe 11 présentent des orientations différentes. Lorsque le fluide circule dans un tel conduit, la ou les particules contenues dans le fluide suivent une trajectoire chaotique.
Problème technique
Les conduits connus permettent donc d’améliorer le processus de mélange. Toutefois ces conduits, en raison de la nécessité de décaler dans l’espace les plans de courbure de chaque portion courbe du conduit, présentent un encombrement important dans l’espace. Par ailleurs, il est très difficile d’obtenir un tel conduit formé d’une seule pièce. Il est formé généralement à partir d’un assemblage d’éléments de façon à pouvoir changer l’orientation du plan de courbure au passage d’un élément courbe à l’autre. De ce fait le procédé de fabrication est complexe, long et entraîne un coût de fabrication élevé.
La présente invention propose un nouvel élément générateur d’advection chaotique qui permet de remédier aux inconvénients décrits ci-dessus.
Il est proposé un élément générateur d’advection chaotique comprenant un corps allongé comportant un axe principal, et un canal, ledit canal étant formé suivant une génératrice résultant d’une superposition d’une courbe hélicoïdale développée suivant ledit axe principal et d’une courbe ondulée développée de part et d’autre de ladite courbe hélicoïdale de manière à présenter au moins deux plans de courbure orientés dans deux orientations différentes.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élément générateur comprend un corps cylindrique et un tube, le tube venant entourer le corps cylindrique, la paroi extérieure du corps cylindrique comprenant au moins un sillon, ledit sillon étant formé suivant ladite génératrice hélicoïdale ondulée, la dimension du tube étant ajustée de sorte que la paroi intérieure du tube vient fermer le sillon pour former le canal.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la paroi extérieure du corps cylindrique comprend deux gorges aptes à recevoir un joint d’étanchéité, les gorges étant positionnées de part et d’autre dudit sillon pour assurer l’étanchéité du canal lorsque le tube et le corps cylindrique sont assemblés.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, l’élément générateur comprend un premier canal et au moins un deuxième canal, ledit deuxième canal étant parallèle au premier canal.
De préférence, la génératrice est une génératrice sinus-hélicoïdale résultant d’une superposition d’une courbe hélicoïdale développée suivant l’axe principal et d’une courbe sinusoïdale développée de part et d’autre de ladite courbe hélicoïdale de manière à présenter au moins deux plans de courbure orientés dans deux orientations différentes.
L’invention concerne également un échangeur mélangeur comprenant au moins un élément générateur d’advection chaotique selon l’invention dans lequel le canal comprend une entrée (A’) et une sortie (B’) de manière à former un circuit ouvert permettant la circulation d’un fluide devant être mélangé ou soumis à un flux thermique depuis l’entrée jusqu’à la sortie.
Selon encore un autre aspect de l’invention, il est proposé un procédé de réalisation d’un élément générateur selon l’invention comprenant les étapes suivantes :
- réalisation sur la paroi extérieure du corps cylindrique d’au moins un sillon suivant une génératrice hélicoïdale ondulée;
- réalisation sur la paroi extérieure du corps cylindrique de deux gorges de part et d’autre dudit du sillon, les gorges étant parallèles au sillon;
- installation d’un joint d’étanchéité dans chacune des gorges ;
- fermeture du sillon en glissant un tube sur le corps cylindrique de sorte que la paroi intérieure du tube vient fermer le sillon pour former un canal étanche.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le canal est formé dans le corps allongé ;
- le canal est formé sur au moins une portion de la paroi extérieure du corps allongé;
- le corps allongé est un corps cylindrique ;
- le corps allongé est un corps creux ;
- la section du canal varie le long de la génératrice hélicoïdale ondulée ;
- la section du corps allongé varie selon l’axe principal.
Le générateur d’advection de la présente invention est particulièrement compact contrairement aux générateurs de l’état de la technique tout en garantissant un mélange homogène et efficace.
En outre le procédé de fabrication de cette nouvelle forme de générateur d’advection est plus simple à mettre en œuvre par rapport aux procédés connus, permettant ainsi de réduire le coût de fabrication.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
, montre respectivement la formation de cellules de Dean de part et d’autre d’un plan médian d’un conduit courbe avec une vue de profil (A), dans un conduit de section rectangulaire avec une vue de coupe selon A-A (B) et dans un conduit de section circulaire avec une vue de coupe selon A-A (C);
Fig. 2
montre une forme de réalisation de l’art antérieur d’un conduit à effet d’advection chaotique;
Fig. 3
montre une vue en perspective du corps cylindrique muni d’un sillon et de deux gorges disposées de part et d’autre du sillon destinées à recevoir un joint d’étanchéité selon un premier mode de réalisation de l’invention;
Fig. 4
montre un exemple de génératrice sinus-hélicoïdale paramétrée obtenue par la superposition d’une courbe hélicoïdale à pas constant et d’une courbe sinusoïdale de part et d’autre de la courbe hélicoïdale ;
Fig. 5
montre une vue de section d’une zone du sillon et de deux gorges de la figure 3;
Fig. 6
montre une vue de section partielle d’un élément générateur d’un écoulement d’advection chaotique selon un premier mode de réalisation de l’invention comprenant le corps cylindrique de la figure 3 et un tube au moment de l’insertion du corps cylindrique dans le tube pour fermer le sillon.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Un premier mode de réalisation de l’élément générateur 100 d’un écoulement d’advection chaotique est maintenant décrit en référence aux figures 3, 4, 5 et 6.
Dans la figure 3, le corps allongé de l’élément générateur d’advection est un corps cylindrique 101 de section transversale circulaire disposé dans un repère cartésien (0, x, y, z). En variante, le corps cylindrique peut être un cylindre de section elliptique, carrée, rectangulaire, semi-circulaire ou toute autre forme. L’axe principal du cylindre est orienté selon l’axe z-z.
La suite de l’invention est décrite pour un corps cylindrique. Bien entendu la présente invention n’est pas limitée uniquement à cette forme géométrique cylindrique. Le corps allongé peut également avoir une section qui varie selon l’axe z-z.
Dans la figure 3, le corps cylindrique est un corps plein. En variante et selon l’utilisation de l’élément générateur, le corps cylindrique peut être un corps creux, comprenant une entrée et une sortie permettant l’injection d’un fluide et la circulation du fluide depuis l’entrée jusqu’à la sortie.
La paroi 102 du corps cylindrique comprend un exemple d’un sillon 103 dont la forme dans l’espace est donnée par une génératrice 105 de forme sinus-hélicoïdale.
On entend par génératrice sinus-hélicoïdale une courbe résultant d’une superposition d’une courbe hélicoïdale à pas variable ou à pas constant développée suivant l’axe principal du cylindre et d’une courbe sinusoïdale développée de part et d’autre de la courbe hélicoïdale.
De manière générale, la forme du sillon 103 peut être donnée par une génératrice résultante d’une superposition d’une courbe hélicoïdale à pas variable ou à pas constant et d’une courbe ondulée développée de part et d’autre de la courbe hélicoïdale. La génératrice sinus-hélicoïdale est un cas particulier.
Le procédé pour réaliser la génératrice de type sinus-hélicoïdale est décrit ci-après. Il comprend une étape de paramétrisation d’une hélice classique à pas constant qui se développe sur un cylindre sur laquelle on va superposer une sinusoïde. L’étape de paramétrisation est définie par l’équation suivante :
[Math. 1]


dans laquelle R est le rayon de l’hélice, p est le pas de l’hélice, c.R est l’amplitude de la sinusoïde et b le nombre de sinusoïdes par tour.
La figure 4 montre un exemple d’une génératrice 105 résultant d’une superposition d’une fonction sinusoïdale sur une hélice classique 104 à pas constant avec les valeurs suivantes pour les différents paramètres : R=1 ; p=0,5 ; c.R=2 et b = 2.π.
La forme du sillon est formée suivant la courbe paramétrée 105 de la figure 4 appelée également génératrice sinus-hélicoïdale. Selon une forme de réalisation, le sillon 103 a une section quadrilatérale comme dans l’exemple illustré sur la figure 5. Il peut être également de section polygonale (carré, rectangulaire, …), ou encore semi-circulaire. La section du sillon peut également varier le long de la génératrice. La réalisation du sillon peut être effectuée par usinage dans la matière du corps cylindrique. Le sillon peut être réalisé le long du corps cylindrique selon l’axe principal z-z. En variante, le sillon peut être réalisé sur une portion du corps cylindrique.
Selon un mode de réalisation de l’invention, il est possible par exemple d’utiliser un outil de fraisage pour effectuer l’usinage. La dimension du sillon et la forme du sillon sont déterminées par la taille et la forme de la tête de la fraise utilisée. La profondeur du sillon est ajustée selon l’enfoncement de la fraise dans le corps cylindrique.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention et selon le matériau dans lequel est réalisé le corps cylindrique, il est possible d’usiner le sillon au moyen d’un faisceau laser ou tout autre mode de réalisation qui permette un enlèvement de matière.
Pour former un canal fermé afin de faire circuler un fluide, comme l’illustre la figure 6, l’élément générateur comprend en outre un tube 106 muni d’une cavité cylindrique 108. La dimension de la cavité est ajustée pour recevoir le corps cylindrique 101 de sorte que la paroi intérieure 107 du tube vient fermer le sillon 103 pour former le canal 110. De préférence, le tube 106 et le corps cylindrique 101 sont coaxiaux lorsqu’ils sont assemblés. De préférence, le tube et le corps cylindrique ont la même longueur. Une fois assemblés, le tube et le corps cylindrique forment un seul corps cylindrique et sont maintenus l’un par rapport à l’autre à l’aide d’éléments de serrage ou de butée.
Le canal ayant la forme spécifique d’une courbe sinus-hélicoïdale présente des portions courbes qui délimitent des plans de courbure P1, P2 orientés dans des orientations différentes comme l’illustre la figure 3. Plus précisément, le long du développement du canal autour du corps cylindrique suivant la génératrice, les plans de courbure des portions courbes successives présentent des orientations différentes. Ainsi on modifie la direction des forces centrifuges d’une portion courbe à une autre portion courbe, ce qui modifie la direction des forces centrifuges et réoriente les cellules de Dean. La variation d’orientation dans l’espace des plans de courbure d’une portion courbe à une autre introduit une discontinuité géométrique entre des lignes de courant voisines dans l’écoulement, générant des trajectoires différentes d’une portion courbe à une autre dans un même canal. Les particules de fluide circulant dans le canal sont donc amenées à suivre une trajectoire dite chaotique le long du canal, générant le phénomène d’advection chaotique qui permet d’assurer un mélange plus homogène.
On entend par trajectoires chaotiques des trajectoires qui sont complexes dans l’espace mais déterministes pour un écoulement laminaire.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention et selon les applications industrielles utilisant l’élément générateur d’advection chaotique, il est nécessaire d’assurer l’étanchéité du canal. Pour cela et comme l’illustre la figure 5, le corps cylindrique central comprend deux gorges 109, 109’ disposées de part et d’autre du sillon 103. L’usinage des deux gorges est effectué au moyen d’un fraisage ayant une dimension adaptée. De préférence, les deux gorges suivent également une génératrice sinus-hélicoïdale et sont parallèles au sillon 103. Chaque gorge reçoit un joint d’étanchéité par exemple de type joint corde en élastomère. Le corps cylindrique 101 muni des deux joints d’étanchéité disposés de part et d’autre du sillon est ensuite inséré dans le tube 106 de sorte que la paroi intérieure 107 vient fermer le sillon pour former le canal. Ce dernier est rendu étanche par la présence des deux joints d’étanchéité disposés dans les gorges 109, 109’.
Selon un deuxième mode de réalisation non illustré, l’élément générateur d’advection chaotique comprend un corps cylindrique en un seul tenant et un canal ayant une forme sinus-hélicoïdale, le canal étant formé au sein du corps cylindrique. Selon une variante, le canal sinus-hélicoïdal est formé sur la paroi extérieure du corps cylindrique.
Selon un troisième mode de réalisation non illustré, l’élément générateur d’advection chaotique comprend un corps cylindrique et un canal ayant une forme sinus-hélicoïdale, le canal étant une pièce rapportée qui vient s’enrouler autour du corps cylindrique sur la paroi extérieure du corps cylindrique en suivant la forme d’une génératrice qui est sinus-hélicoïdale.
Un procédé de fabrication d’un élément générateur d’advection chaotique selon le premier mode de réalisation va maintenant être décrit. Plus précisément, on décrit un procédé pour fabriquer un élément générateur comportant un canal sinus-hélicoïdal dans un corps cylindrique droit de section circulaire.
Le procédé comprend une première étape de paramétrage dans laquelle on définit les paramètres géométriques de la génératrice sinus-hélicoïdale :
- R : le rayon de l’hélice sur le corps cylindrique central ;
- p : le pas de l’hélice ;
- θ : l’angle de l’hélice;
- b : l’amplitude de la sinusoïde ;
- L : la longueur d’onde la sinusoïde.
Les gammes des valeurs sont choisies en fonction de la dimension de l’échangeur ou du mélangeur dans lequel est intégré le corps cylindrique. Dans le cas d’un système microfluidique, c’est de l’ordre de quelques dizaines de microns. Dans le cas d’un échangeur de chaleur industriel par exemple, c’est de l’ordre de quelques centimètres.
Le procédé comprend une deuxième étape dans laquelle on trace la courbe paramétrée sur la paroi d’un corps cylindrique. A titre d’exemple, la courbe peut être tracée sur la paroi du cylindre à l’aide d’une machine d’usinage à commande numérique.
Le procédé comprend une troisième étape dans laquelle on positionne un outil de fraisage cylindrique dont l’axe est perpendiculaire à l’axe principal du corps cylindrique. La fraise est enfoncée d’une profondeur prédéterminée et suit ensuite la génératrice formée dans la première étape pour usiner le sillon sur la paroi du corps cylindrique. La dimension du sillon et la forme de la section du sillon sont définies directement par celles de la tête de la fraise et la vitesse de son avancement dans la matière.
Le procédé comprend une quatrième étape dans laquelle on réalise deux gorges d’étanchéité de la même manière que dans la troisième étape de part et d’autre du sillon. Les dimensions des gorges sont définies en fonction du diamètre du joint choisi. Ensuite, un joint d’étanchéité par exemple de type corde est placé dans chacune des deux gorges.
Le procédé comprend une cinquième étape dans laquelle on vient glisser un tube sur le corps cylindrique pour venir fermer le sillon pour former un canal étanche.
Pour réaliser l’élément générateur d’advection chaotique selon le deuxième mode de réalisation dans lequel il est en un seul tenant, le procédé de fabrication peut être un procédé additif (impression 3D) dans lequel le canal est directement formé pendant l’impression 3D du corps cylindrique. Dans ce mode de réalisation particulièrement avantageux, il n’est donc plus nécessaire d’usiner les gorges d’étanchéité.
Grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, le procédé de fabrication de l’élément générateur d’advection chaotique est très facile à mettre en œuvre. Il est très facile d’ajuster les paramètres géométriques du canal afin d’optimiser le mélange chaotique pour un coût très compétitif. En outre l’élément générateur de la présente invention est très compact contrairement aux éléments générateurs de l’art antérieur, du fait d’un développement d’un canal sinus-hélicoïdal autour d’un corps cylindrique.
L’élément générateur d’advection chaotique de la présente invention peut être très facilement implémenté pour former un échangeur mélangeur.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’échangeur mélangeur comporte un élément générateur d’advection tel que décrit ci-dessus avec les extrémités du canal ouvertes pour réaliser un circuit ouvert. Comme l’illustre la figure 6, le canal comprend une entrée ouverte A’ et une sortie ouverte B’ qui débouchent respectivement sur les deux bases du corps cylindrique central. Selon une autre variante, les entrées et les sorties peuvent être également situées sur les parties courbes haute et basse du cylindre. En variante l’échangeur mélangeur peut comporter une série d’éléments générateurs d’advection chaotique et disposés bout à bout. L’extrémité ouverte du canal d’un élément générateur est placée en regard de l’extrémité ouverte du canal de l’élément suivant. L’assemblage entre deux éléments peut être réalisé par tout moyen approprié qui permet un montage et un démontage aisé. Ces moyens peuvent être des brides ou des raccords.
Dans le cadre d’une utilisation de l’échangeur mélangeur comme échangeur thermique en vue de chauffer ou refroidir le fluide s’écoulant à l’intérieur du canal, le corps cylindrique central 101 est creux. On fait circuler un autre fluide qui vient chauffer ou refroidir la paroi du canal pour réaliser un transfert thermique entre le fluide circulant dans le canal et le fluide circulant dans le corps cylindrique central creux. Grâce à la forme hélicoïdale ondulée ou sinusoïdale du canal, les particules du fluide circulant dans le canal suivent des trajectoires chaotiques, ce qui permet d’obtenir un chauffage parfaitement homogène.
Selon un autre mode de réalisation non illustré, le générateur d’advection 100 est inséré dans un autre tube. On fait circuler dans un espace annulaire entre le tube et le générateur d’advection un fluide caloporteur en vue de chauffer ou refroidir le fluide s’écoulant à l’intérieur du canal. Selon ce mode de réalisation, le corps cylindrique n’est plus nécessairement creux.
Selon encore un autre mode de réalisation de l’invention, le corps cylindrique est plein mais comporte deux canaux hélicoïdaux sinusoïdaux ou ondulés parallèles entre eux et qui forment deux circuits distincts. Les deux fluides circulent parallèlement mais dans les sens opposés de manière à réaliser un échangeur thermique à contre-courant. Il est aussi possible de faire circuler les deux fluides dans le même sens, dans ce cas l’échangeur sera à co-courant.
Selon encore un autre mode de réalisation, le corps cylindrique peut comprendre successivement une portion comportant un canal principal et une portion comportant deux sous-canaux issus du canal principal, les sous-canaux ayant également une forme sinus-hélicoïdale. A titre d’exemple de réalisation, le canal principal peut se diviser en deux sous-canaux après un demi-tour du cylindre puis se reformer plus haut et de nouveau se diviser de manière périodique. Le fait de diviser ainsi les flux périodiquement permet d’améliorer également le mélange et/ou l’échange.
Pour optimiser le fonctionnement de l’échangeur mélangeur, il est possible d’ajuster les paramètres dynamiques de l’écoulement du fluide qui peut être libre ou contrôlé. Dans le cas d’un écoulement contrôlé, il est possible d’ajuster par exemple le débit et éventuellement la fréquence et l’amplitude de la pulsation imposés au débit. Cet ajustement peut être réalisé par exemple via la commande d’une pompe.
Dans le cadre d’une utilisation de l’échangeur mélangeur comme mélangeur classique, en vue d’obtenir par exemple une émulsion, on injecte deux fluides de viscosité différente ainsi qu’un tensioactif dans le canal pour réaliser un mélange chaotique.
Dans le cadre d’une utilisation de l’échangeur mélangeur comme réacteur chimique, plusieurs fluides réactifs sont injectés en entrée du canal. La réaction chimique va se produire tout au long du canal. Le rendement de réaction sera meilleur que dans le cas d’un réacteur chimique existant du fait de la qualité du mélange chaotique.
Comme l’indique ci-avant, les applications d’un tel élément générateur d’advection chaotique sont nombreuses. Il peut être utilisé dans des échangeurs de chaleur, des mélangeurs classiques, dans des réacteurs chimiques ou pour tout autre dispositif nécessitant un mélange homogène des particules de fluide afin d’atteindre des performances optimales.

Claims (13)

  1. Elément générateur d’advection chaotique (100) comprenant un corps allongé (101) comportant un axe principal Z-Z, et un canal (110), ledit canal étant formé suivant une génératrice hélicoïdale ondulée résultant d’une superposition d’une courbe hélicoïdale (104) développée suivant ledit axe principal et d’une courbe ondulée développée de part et d’autre de ladite courbe hélicoïdale de manière à présenter au moins deux plans de courbure orientés dans deux orientations différentes.
  2. Elément générateur selon la revendication 1 selon lequel le canal est formé dans le corps allongé.
  3. Elément générateur selon la revendication 1 selon lequel le canal est formé sur au moins une portion de la paroi extérieure (102) du corps allongé.
  4. Elément générateur selon l’une des revendications 1 à 3 selon lequel le corps allongé est un corps cylindrique.
  5. Elément générateur selon la revendication 4 selon lequel il comprend un corps cylindrique (101) et un tube (106), le tube venant entourer le corps cylindrique, la paroi extérieure (102) du corps cylindrique comprenant au moins un sillon (103), ledit sillon étant formé suivant ladite génératrice hélicoïdale ondulée (105), la dimension du tube étant ajustée de sorte que la paroi intérieure (107) du tube vienne fermer le sillon pour former le canal (110).
  6. Elément générateur selon la revendication 5 selon lequel la paroi extérieure (102) du corps cylindrique comprend deux gorges (109, 109’) aptes à recevoir un joint d’étanchéité, les gorges étant positionnées de part et d’autre dudit sillon (103) pour assurer l’étanchéité du canal lorsque le tube et le corps cylindrique sont assemblés.
  7. Elément générateur selon l’une des revendications précédentes selon lequel le corps allongé est un corps creux.
  8. Elément générateur selon l’une des revendications précédentes selon lequel il comprend un premier canal et au moins un deuxième canal, ledit deuxième canal étant parallèle au premier canal.
  9. Elément générateur selon l’une des revendications précédentes selon lequel la section du canal varie le long de la génératrice hélicoïdale ondulée.
  10. Elément générateur selon l’une des revendications précédentes selon lequel la section du corps allongé varie selon l’axe principal.
  11. Elément générateur selon l’une des revendications précédentes selon lequel la génératrice est une génératrice sinus-hélicoïdale (105) résultant d’une superposition d’une courbe hélicoïdale (104) développée suivant l’axe principal et d’une courbe sinusoïdale développée de part et d’autre de ladite courbe hélicoïdale de manière à présenter au moins deux plans de courbure orientés dans deux orientations différentes.
  12. Echangeur mélangeur comprenant au moins un élément générateur d’advection chaotique (100) selon l’une des revendications précédentes selon lequel le canal comprend une entrée (A’) et une sortie (B’) de manière à former un circuit ouvert permettant la circulation d’un fluide devant être mélangé ou soumis à un flux thermique depuis l’entrée jusqu’à la sortie.
  13. Procédé de réalisation d’un élément générateur (100) selon l’une des revendications 5 à 11 comprenant les étapes suivantes :
    - réalisation sur la paroi extérieure (102) du corps cylindrique d’au moins un sillon (103) suivant une génératrice hélicoïdale ondulée (105);
    - réalisation sur la paroi extérieure (102) du corps cylindrique de deux gorges (109, 109’) de part d’autre dudit du sillon, les gorges étant parallèles au sillon;
    - installation d’un joint d’étanchéité dans chacune des gorges ;
    - fermeture du sillon en glissant un tube (108) sur le corps cylindrique (101) de sorte que la paroi intérieure (107) du tube vient fermer le sillon (103) pour former un canal étanche.
FR1900370A 2019-01-15 2019-01-15 Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique Active FR3091656B1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1900370A FR3091656B1 (fr) 2019-01-15 2019-01-15 Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique
PCT/FR2020/050044 WO2020148501A1 (fr) 2019-01-15 2020-01-14 Element generateur d'un ecoulement d'advection chaotique

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1900370A FR3091656B1 (fr) 2019-01-15 2019-01-15 Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique
FR1900370 2019-01-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3091656A1 true FR3091656A1 (fr) 2020-07-17
FR3091656B1 FR3091656B1 (fr) 2022-07-22

Family

ID=67262448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR1900370A Active FR3091656B1 (fr) 2019-01-15 2019-01-15 Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3091656B1 (fr)
WO (1) WO2020148501A1 (fr)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0091127A1 (fr) * 1982-04-06 1983-10-12 Energiagazdalkodasi Intezet Tubes aux ailettes helicoidaux
WO1997047378A1 (fr) * 1996-06-11 1997-12-18 Smithkline Beecham Consumer Healthcare Gmbh Dispositif melangeur et distributeur
US20040109386A1 (en) * 2002-11-18 2004-06-10 Gold Kenneth S. Particle analyzer with specimen tube in-line mixer and fluid detector
CN106422924A (zh) * 2016-09-27 2017-02-22 中南大学 一种方波被动式微混合器
DE102016106843A1 (de) * 2016-04-13 2017-10-19 Exrit AG Fluidbehandlungsvorrichtung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0091127A1 (fr) * 1982-04-06 1983-10-12 Energiagazdalkodasi Intezet Tubes aux ailettes helicoidaux
WO1997047378A1 (fr) * 1996-06-11 1997-12-18 Smithkline Beecham Consumer Healthcare Gmbh Dispositif melangeur et distributeur
US20040109386A1 (en) * 2002-11-18 2004-06-10 Gold Kenneth S. Particle analyzer with specimen tube in-line mixer and fluid detector
DE102016106843A1 (de) * 2016-04-13 2017-10-19 Exrit AG Fluidbehandlungsvorrichtung
CN106422924A (zh) * 2016-09-27 2017-02-22 中南大学 一种方波被动式微混合器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOHIDI A ET AL: "Heat transfer enhancement by combination of chaotic advection and nanofluids flow in helically coiled tube", APPLIED THERMAL ENGINEERING, PERGAMON, OXFORD, GB, vol. 86, 28 April 2015 (2015-04-28), pages 91 - 105, XP029229994, ISSN: 1359-4311, DOI: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2015.04.043 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3091656B1 (fr) 2022-07-22
WO2020148501A1 (fr) 2020-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0430752B1 (fr) Echangeur de chaleur à écoulement circonférentiel
US20150083375A1 (en) Device for Mixing and Heat Exchange
US10315172B2 (en) Rotor and stator device having bore holes for cavitational mixing
EP2901098B1 (fr) Echangeur thermique de gaz, en particulier des gaz d'echappement d'un moteur
EP2883601B1 (fr) Dispositif de mélange de fluides
KR20110052598A (ko) 기판을 세정하기 위한 폼 발생기
EP3538259A1 (fr) Réacteur pour le traitement par oxydation hydrothermale d'une matière organique dans un milieu réactionnel
FR2625692A1 (fr) Reacteur a controle thermique interne par plaques creuses echangeuses de chaleur
CA2705445C (fr) Cellules et canaux de liaison pour appareils de chromatographie de partage centrifuge
WO2013111789A1 (fr) Mélangeur statique et dispositif utilisant le mélangeur statique
WO2011027570A1 (fr) Réacteur tubulaire de type à écoulement
FR3091656A1 (fr) Elément générateur d’un écoulement d’advection chaotique
EP2875304B1 (fr) Absorbeur a echangeur a plaques avec element de repartition poreux
FR3008485A1 (fr) Echangeur de chaleur
EP3847408B1 (fr) Échangeur thermique flexible destiné à être disposé dans un fluide extérieur en mouvement, comprenant un assemblage de sondes thermiques flexibles
FR2955039A1 (fr) Dispositif formant reacteur chimique a efficacite amelioree integrant un circuit d'echange thermique
FR3061951B1 (fr) Dispositif de distribution d'un fluide refrigerant a l'interieur d'une boite collectrice d'un echangeur thermique.
CA2150457A1 (fr) Echangeur melangeur a effet de convection chaotique
EP2955350B1 (fr) Dispositif de contrôle de débit destiné à être utilisé dans un générateur thermoélectrique comprenant un tel dispositif
EP0445006A1 (fr) Echangeur de chaleur à écoulement circulaire
WO2023105146A1 (fr) Ensemble de distribution de carburant pour turbomachine
EP0865818B1 (fr) Réacteur catalytique à plaques
EP3560521B1 (fr) Dispositif de decontamination de liquide turbide
FR3121059A1 (fr) Procédé de fabrication d’un échangeur de chaleur et échangeur de chaleur obtenu par un tel procédé
EP3560520A1 (fr) Dispositif de decontamination de liquide turbide

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20200717

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 5

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 6