WO1994002793A1 - Echangeur de chaleur compact et a haut coefficient d'echange thermique entre une phase liquide et une phase gazeuse en ecoulement - Google Patents

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WO1994002793A1
WO1994002793A1 PCT/FR1993/000722 FR9300722W WO9402793A1 WO 1994002793 A1 WO1994002793 A1 WO 1994002793A1 FR 9300722 W FR9300722 W FR 9300722W WO 9402793 A1 WO9402793 A1 WO 9402793A1
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tubes
heat exchanger
phase
liquid phase
exchanger
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PCT/FR1993/000722
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Fernand Lauro
Christophe Marvillet
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials

Definitions

  • the present application relates generally to heat exchangers between a liquid phase with or without phase change and a gas phase in which the liquid phase flows inside tubes and the gas phase flows against the outer wall of these same tubes.
  • a major drawback of the previous known type of fin is that the fins can only be placed on the rectilinear parts of the tubes and that the bent part of these is necessarily external to the fin system (see FIG. 1, elbows 12 and 13 given by way of example) this leads to an obvious loss of compactness and to incomplete use of the portion of the exchange surface of the tubes constituted by the bent part of the latter.
  • Other outside the fin system see figure 1, elbows 12 and 13 given by way of example
  • this type of fin also does not generally make it possible to obtain volume exchange surfaces greater than about 1400 m 2 per cubic meter of exchanger.
  • the present invention specifically relates to a compact heat exchanger and high coefficient of heat exchange which overcomes almost all of the drawbacks mentioned above of exchangers tubes and fins currently known.
  • This compact heat exchanger with a high heat exchange coefficient between a liquid phase with or without phase change and a flowing gas phase, in which the liquid phase runs through the interior of the tubes and the gas phase flows against the outer wall of these same tubes, is characterized in that the tubes are coated or semi-coated in a porous metallic mass, in one piece and transparent to the gas phase, the tubes on the one hand and the metallic mass on the other hand constituting mechanically autonomous and linked structures.
  • the heat exchange structures thus produced can be manufactured in any shape which is no longer necessarily only planar. They can in particular be produced on curved or left surfaces, and in the form of plies. This is a very important advantage for certain applications in which the space reserved for a heat exchanger system is either limited or of a particular geometric configuration.
  • the compact heat exchangers according to the invention offer the advantage of presenting as medium of exchange a one-piece metallic mass which replaces the old fin systems. This results in the fact that the exchange tubes on the one hand and the metal mass on the other hand, constitute mechanically autonomous and self-supporting structures, simply linked together, for example by bonding or brazing. This is an entirely new feature in the field of tube heat exchangers.
  • the compact heat exchangers with a high coefficient of heat exchange which are the subject of the invention make it possible to obtain, due to the replacement of the fin system by a one-piece porous metallic mass, specific exchange surfaces per unit. much larger in volume than the techniques used to date allow (several thousand m 2 per cubic meter of exchanger).
  • the porous metallic mass is a cellular foam of a metal.
  • a metal In general the more the latter will be a good conductor of heat, the more efficient the heat exchange.
  • copper and aluminum are chosen. It is most often formed by the isotropic juxtaposition of a certain number of hollow cells having a spherical symmetry. Even more particularly, one of the preferred forms for the preceding cells is that of a dodecahedron. This geometric structure is comparable, in metallic form, to that of certain metallic electrodes that are used today common in certain electric batteries, in particular nickel-cadmium batteries ("Nickel and its applications" vol. 3, N ° 4, June 1988 p. 4-5).
  • FIG. 2 (2a, 2b, 2c) shows a heat exchanger panel according to the invention shown in general view in Figure 2a, in side view in Figure 2b and in a detail of embodiment of the tubes in Figure 2c;
  • FIG. 3 shows an example of implementation in which there is shown a sheet of tubes embedded between two porous metal foam panels. A second optional tablecloth is shown in dotted lines next to the first;
  • FIG. 4 shows the possible application of the exchanger object of the invention in the case of cooling or heating of a gas flowing in a ventilation duct of circular section.
  • Figure 4a shows the layout of the disc-shaped exchange structure in the tubing;
  • FIGS. 4b and 4c showing a front view of the exchange disc provided with tubes, the arrangement of which is in a spiral in FIG. 4b and in a flat serpentine in FIG. 4c;
  • FIG. 5 shows another embodiment of a planar heat exchanger according to the invention installed in an inclined shape inside a ventilation duct.
  • Figure 5b shows in front view the same flat exchange structure with the tubing in the form of a coil.
  • FIG. 6 shows the possible installation conical or curved shapes of a heat exchanger plate according to the invention installed in a cooling duct tube, the section of which can be for example rectangular or circular;
  • FIGS. 7b and 7c show possible variants of the form of implantation of the tubes in the cylindrical wall and FIG. 7d a detail of embodiment for a cylindrical surface of strong curvature;
  • FIG. 8 shows a compact heat exchanger according to the invention consisting of a liquid phase flow tube in the form of a flat ribbon embedded in a block of metal foam;
  • FIG. 9 shows - again a compact heat exchange panel with a tubing semi-embedded in the metal foam and a variable passage section offered to the liquid flow in the tube;
  • FIG. 10 (10a, 10b and 10c) shows the main stages in the production, in a particular example, of cavities for housing the exchanger tubes in the metal foam;
  • FIG. 11a and 11b show, by way of comparative example, a convector fan using a heat exchanger of the prior art and a heat exchanger of the invention, respectively.
  • FIG 2a there is shown a flat panel 14 consisting of a block of porous metal foam on the surface of which is semi-coated a metal tube traversed by a liquid and referenced 16.
  • This metal tube has an inlet 18 and an outlet 20 and it has approximately the shape of a serpentine. It exchanges calories (or frigories) with a gaseous phase which crosses the panel 14 in the direction indicated by the arrow F.
  • FIG 2b shows the section of the system along the vertical plane A of Figure 2a.
  • the monobloc metal foam panel 14 in which are inserted the coils 16 of the exchange pipe.
  • these coils have a diameter d and are part of imprints such as 22 formed on the surface of the block 14 and whose diameter is very slightly less than that of the diameter d of the pipe 16.
  • the serpentine-shaped tube 16 which is mechanically rigid is designed as to its shape to come to fit exactly in the cavities 22 provided for this purpose on the surface of the block 14 of the porous metallic mass. It can be fixed to it by any known means, in particular by bonding or brazing.
  • FIG. 3 a compact exchanger structure has been shown in which the tube 16 traversed by the liquid phase is sandwiched between two panels of porous metallic foam 14a and 14b also traversed as previously by the flow of the gas phase in flow according to arrow F.
  • a second exchange ply identical to the first described is shown in dotted lines on the right side of the drawing to show that a complete exchange structure can actually include one or more juxtaposed layers.
  • FIG. 4 refers to one of the particularly advantageous applications of the invention which is that of equipping a heat or cooling sheath 24 with a heat exchanger through which a gas flow is represented by the arrow F which must exchange calories or frigories with a tube 16 traversed as previously by a liquid phase.
  • the sheath 24 has a circular section and the compact heat exchanger according to the invention is in the form of a flat disc 26 in which the elements of the tubing are semi-coated. 16.
  • the embodiment of the compact exchanger which is the subject of the invention allows the tubing 16 to be produced in practically any form as soon as it coincides with that of the imprints provided for its coating in the one-piece porous metallic mass.
  • the tubing 16 has the shape of a spiral with an inlet 18 at the periphery and an outlet 20 at the center; in the case of FIG. 4c, on the contrary, the tubing 16 develops on the surface of the disc 26 in the form of a serpentine, the inlet of which is at 18 and the outlet at 20 according to two diametrical points of the disc 26.
  • FIG. 5 relates to a variant of the previous example.
  • a tube 24 of cylindrical section traversed in the direction of the arrow F by air to cool or heat and the compact heat exchanger object of the invention is placed this time across the pipe 24 where it therefore adopts in space the shape of a plane disc 28 of elliptical periphery as seen in Figure 5b.
  • the tubing 16 traversed by the liquid phase may also have any shape, in particular that of a coil with its inlet 18 and its outlet 20 as shown in FIG. 5b where the disc 28 is seen front.
  • FIG. 6 shows one of the very interesting possibilities of the heat exchanger object of the invention.
  • two examples of exchangers are shown respectively at 30 and at 32 in the form of relatively thin exchange surfaces whose shapes in the space are in the first case that of a cone and in the second case, that of a left tablecloth.
  • This is very useful for obtaining a high heat exchange coefficient while accommodating the exchanger as a function of the place which is present in the tube 24 according to the most varied forms possible.
  • the structure of the exchanger is a conical sheet 30 or left 32 of one-piece porous metallic foam.
  • L exchanger proper consists of monoblock of metallic foam 34 of cylindrical shape through which flows, according to the arrows marked in the figure, the gas flow which exchanges calories or frigories with the pipe 36.
  • tubing For this tubing, numerous geometric shapes can be used such as for example those of FIG. 7b where this tubing 36 is wound according to non-contiguous turns semi-coated in the block of metal foam 34 or on the contrary as it is the case in FIG. 7c in the longitudinal direction in a serpentine shape deployed along the lateral surface of the cylinder 34 formed by the one-piece metallic foam.
  • FIG. 8 relates to the case where the porous metallic monoblock 40 traversed by the gas phase according to the arrows F is used to coat a tube for the flow of the liquid phase which has the form of a flat sectorized tube 42 deploying in the form of a serpentine 44 between its inlet 42 and its outlet 46 inside the one-piece metallic mass 40.
  • FIG. 9 also shows a structure of a compact exchanger according to the invention, the porous metal block 40 of which has a planar shape and serves to support the tube 16 through which the liquid passes between its inlet 18 and its outlet 20
  • the flexibility of construction specific to the exchangers according to the invention has made it possible to give this tubing a variable passage section between its inlet 18 and its outlet 20 since in the lower part of the drawing, it is along a certain path split into two parallel channels 16a and 16b and in the upper part, into three parallel channels 16c, 16d and 16e.
  • FIG. 10 represents one of the possible modes of implementation making it possible to produce, on the surface of the porous metallic monoblock, the cavities for housing the future exchange tubes traversed by the liquid phase.
  • FIG. 10a we start from a metallic shape 48 which has the profile of the porous metallic monoblock that we ultimately want to achieve.
  • a layer of parallelepipedal plastic foam 50 and a matrix 52 (FIG. 10a) are placed above this metallic form 48.
  • FIG. 10b the subsequent step is shown in which a pressure shown by the arrows P in FIG. 10b is exerted on the matrix 52. The latter crushes the layer of plastic foam 50 which expands in the housings 54 provided within the metallic form 48.
  • a cut is made along the horizontal plane XX by a sharp blade in the mass of plastic foam 50. Then (FIG.
  • the pressure is removed from the matrix 52 and it is separated from the rest of the metallic shape 48 and from the plastic foam 50.
  • the latter after decompression adopts the shape that is seen at 56 in FIG. 10c, the notches or grooves 54 of the metallic shape 48 remaining filled with pieces of plastic foam 50 separated during the previous cut according to plan XX.
  • the layer 56 of plastic foam thus obtained has exactly the shape required for the porous metallic monoblock which it is desired to manufacture and it then suffices to use it either as a mold used in the technique known as "lost wax" molding technique, or as a support that is subjected to a surface metallization.
  • FIG. 11b shows an example of integration of the compact exchanger with a porous metallic mass.
  • Figure 11a shows a convector fan using a heat exchanger of the prior art.
  • Figure 11b shows the integration of the compact exchanger of the invention in the convector fan. Thanks to the shape adaptation of the exchanger (56), it is possible to obtain a higher exchanged power, while having gas speeds v much lower than the speed V of the conventional exchanger. This results in significantly reduced fan power (58) and a noise source.
  • the comparative parameters used include:
  • Table I corresponds to a compactness of 1800 m 2 / m3 (ratio of the exchange surface to the volume) and Table II to a compactness of 4000 m 2 / m 3 .
  • Tables I and II are produced with the same pumping power density of 2 Kw / m. 3 .

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Abstract

Dans un échangeur de chaleur compact et à haut coefficient d'échange thermique entre une phase liquide avec ou sans changement de phase et une phase gazeuse en écoulement, la phase liquide parcourt l'intérieur de tubes (16) et la phase gazeuse s'écoule contre la paroi externe de ces mêmes tubes (16). Les tubes sont enrobés ou semi-enrobés dans une masse métallique poreuse, monobloc (14) et transparente à la phase gazeuse, les tubes (16) d'une part et la masse métallique (14) d'autre part constituant des structures mécaniquement autonomes et liées entre elles.

Description

ECHANGEUR DE CHALEUR COMPACT ET A HAUT COEFFICIENT
D'ECHANGE THERMIQUE ENTRE UNE PHASE LIQUIDE ET UNE
PHASE GAZEUSE EN ECOULEMENT.
DESCRIPTION
La présente demande se rapporte d'une façon générale à des échangeurs de chaleur entre une phase liquide avec ou sans changement de phase et une phase gazeuse dans lesquels la phase liquide s'écoule à l'intérieur de tubes et la phase gazeuse s'écoule contre la paroi externe de ces mêmes tubes.
On connaît dans la technique utilisée jusqu'à ce jour de très nombreuses conceptions d' échangeurs tubulaires dans lesquels les tubes, le plus souvent rectilignes, sont équipés d'un système d'ailettes métalliques entre lesquelles circule la phase gazeuse qui échange des calories avec le liquide parcourant les tubes. Une telle conception connue est représentée sur la figure 1 où l'on voit différents tubes rectilignes 2 , 4, 6, 8 enfilés dans un système d'ailettes formées de plaques métalliques 10 planes et rectilignes. Lorsque cela est nécessaire, certains des tubes tels que 6 et 8 sur la figure 1, sont coudés pour assurer un trajet en épingle à cheveux de la phase liquide.
Par ailleurs, c'est un objectif constant de l'homme du métier des échangeurs de leur donner à la fois la compacité maximale et le plus haut coefficient d'échange thermique possible. Ceci est particulièrement sensible dans des domaines tels que la climatisation des bâtiments et de l'automobile ainsi que le refroidissèment de certains systèmes électroniques et les radiateurs d'automobile.
Depuis quelques années, de nombreux développements ont été faits dans le sens de la compacité de tels échangeurs et des améliorations ont été proposées qui concernent aussi bien la forme des tubes que celle des ailettes. Pour ce qui concerne les tubes, les améliorations techniques envisagées se sont limitées à des modifications de la paroi interne des tubes que l'on a munie de rainures de différentes formes pour augmenter le coefficient d'échange. En revanche, la surface externe des tubes doit toujours rester lisse et cylindrique pour assurer un bon contact entre les tubes et le système des ailettes, leur fixation mutuelle étant réalisée par expansion des tubes que l'on sertit ainsi sur les ailettes.
Un autre type d'amélioration apparu récemment concerne la forme des ailettes et du système d'ailetage, c'est dans ce domaine d'ailleurs que les recherches ont été les plus nombreuses et les plus fructueuses. II est courant d'utiliser aujourd'hui des ailettes munies par exemple de corrugations, d'ondulations ou de bandes métalliques en saillie. Toutefois, ces ailettes ont une surface continue car elles sont solidaires chacune de plusieurs tubes au moins et elles sont toujours maintenues dans une situation fixe les unes par rapport aux autres grâce aux tubes auxquels elles sont fixées. C'est-à-dire que l'ensemble des ailettes sans les tubes ne constitue pas un ensemble rigide ou autoporteur, seule la présence des tubes assurant la cohésion de l'ensemble.
Un inconvénient majeur du type d'ailetage connu précédent est que les ailettes ne peuvent être placées que sur les parties rectilignes des tubes et que la partie coudée de ceux-ci étant nécessairement extérieur au système d'ailetage (voir figure 1, coudes 12 et 13 donnés à titre d'exemple) ceci conduit à une perte évidente de compacité et à une utilisation incomplète de la portion de la surface d'échange des tubes constituée par la partie coudée de ceux-ci. D'autre extérieur au système d'ailetage (voir figure 1, coudes 12 et 13 donnés à titre d'exemple) ceci conduit à une perte évidente de compacité et à une utilisation incomplète de la portion de la surface d'échange des tubes constituée par la partie coudée de ceux-ci. D'autre part, il est évident, étant donnée la manière dont sont montées les ailettes sur les tubes, qu'il y a nécessité à ce que les coudes soient des parties rapportées sur les tubes, ce qui nécessite leur brasure avec les parties rectilignes et complique ainsi considérablement la réalisation d'un echangeur. La perte de compacité due à la présence des coudes sur les tubes peut atteindre ainsi plus de 20% sur les échangeurs de petite et moyenne dimensions. Par ailleurs, la multiplicité des coudes brasés augmente le risque de fuite du fluide interne aux tubes (eau, eau glycolée ou fluide frigorigène).
Par ailleurs, ces systèmes d'ailetage connus qui viennent d'être rappelés ne permettent pas de réaliser de façon simple et peu onéreuse des échangeurs de forme autre que plane et dont le pourtour serait délimité par un périmètre ayant une forme autre que carrée ou rectangulaire.
Du fait de sa méthode de fabrication, ce type d'ailetage ne permet pas non plus d'obtenir en général des surfaces d'échange volumique supérieures à environ 1400 m^ par mètre cube d' echangeur.
La présente invention a précisément pour objet un echangeur de chaleur compact et à haut coefficient d'échange thermique qui permet de s'affranchir de la quasi-totalité des inconvénients précédemment rappelés des échangeurs à tubes et à ailettes actuellement connus.
Cet echangeur de chaleur compact et à haut coefficient d'échange thermique entre une phase liquide avec ou sans changement de phase et une phase gazeuse en écoulement, dans lequel la phase liquide parcourt l'intérieur de tubes et la phase gazeuse s'écoule contre la paroi externe de ces mêmes tubes, se caractérise en ce que les tubes sont enrobés ou semi-enrobés dans une masse métallique poreuse, monobloc et transparente à la phase gazeuse, les tubes d'une part et la masse métallique d'autre part constituant des structures mécaniquement autonomes et liées entre elles.
En enrobant les tubes de l'echangeur dans une masse métallique poreuse apte à se laisser traverser par la phase gazeuse en écoulement, on réalise ainsi une nouvelle structure d'échange qui permet de s'affranchir des inconvénients précédemment rappelés de l'art antérieur. En effet, il est clair que pour un taux d'échange donné, la compacité est augmentée, puisque la masse poreuse métallique qui remplace les systèmes d'ailettes de l'art antérieur est continue, tout en se laissant traverser par la phase gazeuse. Il en résulte par conséquent un contact beaucoup plus intime entre celle-ci et la masse poreuse métallique favorisant l'échange de calories avec le liquide s'écoulant dans les tubes. D'autre part et surtout, la structure d'echangeur ainsi réalisée permet d'enrober non seulement des tubes rectilignes mais aussi des tubes présentant une forme courbe par exemple en épingle à cheveux et d'enrober également les coudes qui, dans l'art antérieur, restaient sans ailetage. Par ailleurs, les structures d ' échange thermique ainsi réalisées peuvent être fabriquées selon des formes quelconques qui ne sont plus nécessairement uniquement planes. Elles peuvent être notamment réalisées selon des surfaces courbes ou gauches, et sous forme de nappes. Ceci est un avantage très important pour certaines applications dans lesquelles la place réservée à un système d' echangeur est, soit limitée, soit d'une configuration géométrique particulière. Enfin, les échangeurs de chaleur compacts selon l'invention offrent l'intérêt de présenter comme milieu d'échange une masse métallique monobloc qui remplace les anciens systèmes d'ailetage. Ceci a pour conséquence le fait que les tubes d'échange d'une part et la masse métallique d'autre part, constituent des structures mécaniquement autonomes et autoporteuses, simplement liées entre elles, par exemple par collage ou brasure. Ceci est une caractéristique entièrement nouvelle dans le domaine des échangeurs de chaleur à tubes. Autrement dit, ce n'est plus comme dans l'art antérieur, les tubes qui sont chargés d'assurer la tenue mécanique d'une multitude d'ailettes à la fois légères et fragiles, qui ne sont mécaniquement rigides qu'après avoir été solidarisées par soudage ou emboutissage avec les tubes au cours d'opérations longues et relativement délicates.
Enfin, les échangeurs de chaleur compacts et à haut coefficient d'échange thermique objet de l'invention, permettent d'obtenir, du fait du remplacement du système d'ailetage par une masse métallique poreuse monobloc, des surfaces spécifiques d'échange par unité de volume beaucoup plus importante que ne le permettaient les techniques utilisées jusqu'à ce jour (plusieurs milliers de m2 par mètre cube d'echangeur).
Selon une caractéristique importante de la présente invention, la masse métallique poreuse est une mousse cellulaire d'un métal. En général plus ce dernier sera bon conducteur de la chaleur, plus l'échange thermique sera efficace. De préférence, on choisit par exemple le cuivre et l'aluminium. Elle est le plus souvent constituée par la juxtaposition isotrope d'un certain nombre de cellules creuses ayant une symétrie sphé- rique. De façon plus particulière encore, l'une des formes préférées pour les cellules précédentes est celle d'un dodécaèdre. Cette structure géométrique est comparable, sous forme métallique, à celle de certaines électrodes métalliques que l'on utilise aujourd'hui de façon courante dans certaines batteries électriques, notamment les batteries au nickel-cadmium ("Nickel and its applications" vol. 3, N° 4, June 1988 p. 4-5).
De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit de plusieurs exemples de mise en oeuvre de celle-ci qui y seront décrits, à titre illustratif et non limitatif, en se référant aux figures 2 à 10 ci-jointes, sur lesquelles :
- la figure 2 (2a, 2b, 2c) représente un panneau echangeur de chaleur conforme à l'invention représenté en vue générale sur la figure 2a, en vue de côté sur la figure 2b et dans un détail de réalisation des tubes sur la figure 2c ;
- la figure 3 représente un exemple de mise en oeuvre dans lequel on a représenté une nappe de tubes noyée entre deux panneaux de mousse métallique poreuse. Une deuxième nappe facultative est représentée en pointillés à côté de la première ;
- la figure 4 (4a, 4b, 4c) représente l'application possible de l' echangeur objet de l'invention au cas du refroidissement ou du réchauffement d'un gaz circulant dans une gaine de ventilation de section circulaire. La figure 4a montre l'implantation de la structure d'échange en forme de disque dans la tubulure ; les figures 4b et 4c montrant en vue de face le disque d'échange muni de tubes dont la disposition est en spirale sur la figure 4b et en serpentin plan sur la figure 4c ;
- la figure 5 (5a et 5b) montre un autre exerapie de réalisation d'un echangeur de chaleur plan selon l'invention installé selon une forme inclinée à l'intérieur d'une gaine de ventilation. La figure 5b montre en vue de face la même structure d'échange plane avec la tubulure en forme de serpentin.
- la figure 6 montre l'implantation possible des formes coniques ou courbes d'une plaque d' echangeur de chaleur conforme à l'invention installée dans une tubulure de gaine de refroidissement dont la section peut être par exemple rectangulaire ou circulaire ;
- la figure 7 (7a, 7b, 7c, 7d) représente toujours dans une tubulure de gaine de refroidissement une structure d'échange conforme à l'invention dont la forme est celle d'un cylindre ouvert au flux gazeux qui s'écoule dans la conduite. Les figures 7b et 7c montrent des variantes possibles de forme d'implantation des tubes dans la paroi cylindrique et la figure 7d un détail de réalisation pour une surface cylindrique de forte courbure ;
- la figure 8 (8a et 8b) montre un echangeur de chaleur compact selon l'invention consistant en un tube d'écoulement de la phase liquide sous forme d'un ruban plat noyé dans un bloc de mousse métallique ;
- la figure 9 montre -encore un panneau d'échange de chaleur compact avec une tubulure semi-enrobée dans la mousse métallique et une section de passage variable offerte à l'écoulement liquide dans le tube ;
- la figure 10 (10a, 10b et 10c) montre les principales étapes de réalisation, dans un exemple particulier, des empreintes de logement des tubes de l'échangeur dans la mousse métallique ; et
- les figures lia et 11b montrent, à titre d'exemple comparé, un ventilateur convecteur utilisant un echangeur de l'art antérieur et un echangeur de l'invention, respectivement.
Sur la figure 2a, on a représenté un panneau plan 14 constitué d'un bloc de mousse métallique poreuse à la surface duquel est semi-enrobée une tubulure métallique parcourue par un liquide et référencée 16. Cette tubulure métallique possède une entrée 18 et une sortie 20 et elle a approximativement la forme d'un serpentin. Elle échange les calories (ou des frigories) avec une phase gazeuse qui traverse le panneau 14 selon la direction indiquée par la flèche F.
La figure 2b représente la coupe du système selon le plan vertical A de la figure 2a. On y voit le panneau monobloc de mousse métallique 14 dans lequel sont insérés les serpentins 16 de la tubulure d'échange. Comme marqué sur la figure, ces serpentins ont un diamètre d et s'inscrivent dans des empreintes telles que 22 ménagées à la surface du bloc 14 et dont le diamètre est très légèrement inférieur à celui du diamètre d de la tubulure 16.
Si l'on appelle h (figure 2a) la distance qui sépare deux portions parallèles ou sensiblement parallèles du serpentin 16, on voit sur la figure 2c que l'un des intérêts de l'invention est de pouvoir réaliser le serpentin 16 avec une forme quelconque et en particulier avec des branches non rigoureusement parallèles et un rayon de courbure r des coudes du ser- pentin 16 supérieur à h/2.
Conformément à l'invention, le tube en forme de serpentin 16 qui est mécaniquement rigide est conçu quant à sa forme pour venir s'adapter exactement dans les empreintes 22 prévues à cet effet sur la surface du bloc 14 de la masse métallique poreuse. Il peut y être fixé selon tout moyen connu, en particulier par collage ou brasage.
Dans la réalisation de la figure 3, on a représenté une structure d' echangeur compact dans laquelle la tubulure 16 parcourue par la phase liquide est enserrée entre deux panneaux de mousse métallique poreuse 14a et 14b également parcourus comme précédemment par le flux de la phase gazeuse en écoulement selon la flèche F. Une deuxième nappe d'échange identique à la première décrite est figurée en pointillés sur la partie droite du dessin pour montrer qu'une structure complète d'échange peut effectivement comporter une ou plusieurs nappes juxtaposées.
La figure 4 se réfère à l'une des applications particulièrement intéressantes de l'invention qui est celle de l'équipement en echangeur de chaleur d'une gaine de refroidissement ou de réchauffement 24 parcourue par un flux gazeux figuré par la flèche F qui doit échanger des calories ou des frigories avec une tubulure 16 parcourue comme précédemment par une phase liquide. Dans l'exemple particulier représenté sur la figure 4a, la gaine 24 a une section circulaire et l'echangeur de chaleur compact selon l'invention se présente sous forme d'un disque plan 26 dans lequel sont semi-enrobés les éléments de la tubulure 16. Dans cet exemple, comme dans ceux qui précédent, le mode de réalisation de l'echangeur compact objet de l'invention autorise la réalisation de la tubulure 16 sous une forme pratiquement quelconque dès lors qu'elle coïncide avec celle des empreintes prévues pour son enrobage dans la masse métallique poreuse monobloc. C'est ainsi que sur la figure 4b, la tubulure 16 a la forme d'une spirale avec une entrée 18 à la périphérie et une sortie 20 au centre ; dans le cas de la figure 4c au contraire, la tubulure 16 se développe à la surface du disque 26 sous la forme d'un serpentin dont l'entrée est en 18 et la sortie en 20 selon deux points diamétraux du disque 26. On saisit par conséquent sur cet exemple à la fois la compacité dont est capable l'echangeur objet de l'invention ainsi que la variété des choix qui se présente pour la forme donnée à la tubulure parcourue par le liquide. De telles structures sont particulièrement appréciées dans les installations de climatisation où un flux d'air s'écoule dans une gaine prévue à cet effet.
La figure 5 est relative à une variante de l'exemple précédent. Dans cet exemple, on retrouve une tubulure 24 de section cylindrique parcourue selon la direction de la flèche F par de l'air à refroidir ou à réchauffer et l'echangeur de chaleur compact objet de l'invention est placé cette fois en travers de la canalisation 24 où il adopte par conséquent dans l'espace la forme d'un disque plan 28 de pourtour elliptique comme on le voit sur la figure 5b. Dans cet exemple, la tubulure 16 parcourue par la phase liquide peut égale- ment avoir une forme quelconque notamment celle d'un serpentin avec son entrée 18 et sa sortie 20 comme cela est réprésenté sur la figure 5b où l'on voit le disque 28 de face.
La figure 6 montre l'une des possibilités très intéressantes de l'echangeur de chaleur objet de l'invention. En effet, dans une tubulure 24 de gaine de refroidissement toujours parcourue par un flux d'air F, deux exemples d'échangeur sont représentés respectivement en 30 et en 32 sous la forme de surfaces d'échange relativement minces dont les formes dans l'espace sont dans le premier cas celle d'un cône et dans le second cas, celle d'une nappe gauche. Ceci est très utile pour obtenir un coefficient d'échange thermique élevé tout en logeant l' echangeur en fonction de la place qui se présente dans la tubulure 24 selon les formes les plus variées possibles. Comme toujours dans ces exemples, la structure de l'echangeur est une nappe conique 30 ou gauche 32 de mousse métallique poreuse monobloc.
La figure 7 représente toujours dans une gaine
24 pour fluide s'écoulant selon la flèche F un echangeur objet de l'invention de forme très particulière puisqu'il a celle d'un cylindre droit à base circulaire ouvert en amont 31 pour recevoir le flux gazeux et fermé en aval 32. L'echangeur proprement dit est constitué du monobloc de mousse métallique 34 de forme cylindrique au travers duquel s'écoule selon les flèches marquées sur la figure le flux gazeux qui échange des calories ou des frigories avec la tubulure 36.
Pour cette tubulure, de nombreuses formes géométriques peuvent être utilisées telles que par exemple celles de la figure 7b où cette tubulure 36 est enroulée selon des spires non jointives semi-enrobées dans le bloc de mousse métallique 34 ou au contraire comme c'est le cas sur la figure 7c dans le sens longitudinal selon une forme en serpentin déployée le long de la surface latérale du cylindre 34 constitué par la mousse métallique monobloc.
Enfin, si dans un des exemples des figures 7a, 7b ou 7c la courbure de la masse métallique cylindrique 34 est trop importante, on pratique dans une partie de l'épaisseur de cette masse métallique poreuse des traits de scie représentés en 38 sur la figure 7d.
L'exemple de réalisation de la figure 8 est relatif au cas où le monobloc métallique poreux 40 parcouru par la phase gazeuse selon les flèches F sert à enrober une tubulure d'écoulement de la phase liquide qui a la forme d'un tube plat sectorisé 42 se déployant en forme de serpentin 44 entre son entrée 42 et sa sortie 46 à l'intérieur de la masse monobloc métallique 40.
Sur la figure 9, on a également représenté une structure d ' echangeur compact conforme à l'invention dont le bloc métallique poreux 40 a une forme plane et sert de support à la tubulure 16 parcourue par le liquide entre son entrée 18 et sa sortie 20. L'originalité de la structure représentée sur la figure 9 réside en ce que la souplesse de réalisation propre aux échangeurs selon l'invention a permis de donner à cette tubulure une section de passage variable entre son entrée 18 et sa sortie 20 puisque dans la partie inférieure du dessin, elle est selon un certain trajet dédoublée en deux canaux parallèles 16a et 16b et dans la partie supérieure, en trois canaux parallèles 16c, 16d et 16e. Cette façon de procéder, dont la réalisation aurait été impossible avec les ailetages métalliques plans de l'art antérieur, permet de façon très simple de régulariser l'écoulement en le divisant à volonté en plusieurs zones dans le cours de son parcours trajet, les canaux 16 et 16a, b, c, d, e peuvent avoir des diamètres différents.
La figure 10 enfin, représente un des modes possibles de mise en oeuvre permettant de réaliser à la surface du monobloc métallique poreux les empreintes de logement des futurs tubes d'échange parcourus par la phase liquide.
Sur la figure 10a, on part d'une forme métallique 48 qui a le profil du monobloc métallique poreux que l'on veut finalement réaliser. On place au-dessus de cette forme métallique 48 une couche de mousse plastique 50 parallelepipedique et une matrice 52 (figure 10a). Sur la figure 10b, on représente l'étape ultérieure dans laquelle on exerce une pression figurée par les flèches P sur la figure 10b sur la matrice 52. Celle-ci écrase la couche de mousse de plastique 50 qui s'expanse dans les logements 54 prévus au sein de la forme métallique 48. Toujours en se référant à la figure 10b, on réalise alors selon le plan horizontal X-X une coupe par une lame tranchante dans la masse de mousse plastique 50. Puis (figure 10c) on retire la pression sur la matrice 52 et on la sépare du reste de la forme métallique 48 et de la mousse plastique 50. Cette dernière après décompression adopte la forme que l'on voit en 56 sur la figure 10c, les encoches ou rainures 54 de la forme métallique 48 restant remplies des morceaux de la mousse plastique 50 séparés lors de la coupe précédente selon le plan X-X. La couche 56 de mousse plastique ainsi obtenue a exactement la forme requise pour le monobloc métallique poreux que l'on veut fabriquer et il suffit alors de l'utiliser soit comme un moule utilisé dans la technique dite de moulage à "cire perdue", soit comme un support que l'on soumet à une métallisation de surface.
Sur la figure 11b est représenté un exemple d'intégration de l' echangeur compact à masse métallique poreuse. La figure lia montre un ventilateur convecteur utilisant un echangeur de l'art antérieur. La figure 11b présente l'intégration de l' echangeur compact de l'invention dans le ventilateur convecteur. Grâce à l'adaptation de forme de l' echangeur (56), on peut obtenir une puissance échangée supérieure, tout en ayant des vitesses de gaz v très inférieures à la vitesse V de l' echangeur classique. Il en résulte une puissance du ventilateur (58) et une source de bruit nettement diminuées.
A titre d'illustration des performances des échangeurs compacts selon l'invention, on donnera les deux tableaux suivants qui montrent les caractéristiques comparées d'un echangeur à masse métallique poreuse et d'un echangeur classique à ailettes lisses dont les paramètres, figurant dans la dernière colonne de droite de chaque tableau, sont pris comme références unitaires.
Les paramètres comparatifs employés sont notamment :
- le coefficient d'échange volumique (GV) en KWatts/m3/K qui traduit le flux de chaleur échangé par unité de volume et par degré ;
- la vitesse frontale du débit de la phase gazeuse en m/s ;
- la surface frontale de l'echangeur ;
- l'élancement, ou rapport L/l du côté L de la face d'entrée supposée carrée à l'épaisseur 1 de la masse métallique. Le tableau I correspond à une compacité de 1800 m2/m3 (rapport de la surface d'échange au volume) et le tableau II à une compacité de 4000 m2/m3.
Les tableaux I et II sont réalisés avec la même puissance volumique de pompage de 2 Kw/m.3.
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000018_0001

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur de chaleur compact et à haut coefficient d'échange thermique entre une phase liquide avec ou sans changement de phase et une phase gazeuse en écoulement, dans lequel la phase liquide parcourt l'intérieur de tubes et la phase gazeuse s'écoule contre la paroi externe de ces mêmes tubes, les tubes étant enrobés ou semi-enrobés dans une masse métallique poreuse, monobloc et transparente à la phase gazeuse, caractérisé en ce que la masse métallique poreuse est isotrope et constituée par la juxtaposition de cellules creuses ayant une symétrie sphérique.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules creuses ont la forme de dodécaèdres.
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