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Echangeur de chaleur entre un Raz et un fluide à pouvoir d'échange thermique élevé
L'échange thermique entre un gaz et un fluide séparés par une paroi est difficile à réaliser économiquement si l'écart entre les températures du gaz et du fluide est faible.
La présente invention concerne un échangeur de chaleur utilisant efficacement une donnée physique bien connue, que le fil métallique est le meilleur convecteur entre un gaz et un solide, car il consti- tue presque entièrement un bord d'attaque.
Actuellement,ce difficile échange d'enthalpie entre un gaz et un solide est le plus souvent réalisé à l'aide de faisceaux de tubes ailetés ou d'une série de plaques parallèles serties sur des tubes dans lesquels circule le fluide.
En général, les appareils utilisant ces procédés exigent des vites- ses d'air circulant entre ces plaques ou entre ces ailettes, suffisam- .ment élevées pour obtenir un coefficient d'échange satisfaisant entre gaz et tubes.
Il en résulte une forte consommation d'énergie, et des écarts élevés de température entre gaz et fluide qu'il est difficile d'amé- liorer économiquement
La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à fils métalliques entre un gaz et un fluide, formé d'un ensemble de panneaux unitaires d'échange constitués de toiles métalliques, caractérisé en ce que le panneau unitaire comprend deux toiles tissées en fils métalliques à haute conductibilité thermique, entre lesquelles sont soudés à intervalles des tubes métalliques disposés substantiel- lement parallèlement entre eux, dans lesquels circule le fluide, le gaz circulant de préférence perpendiculairement aux tubes.
Le gaz choisi est généralement de l'air, ce qui n'exclut pas l'uti- lisation d'autres gaz ou vapeurs. Le fluide circulant dans les tubes est un liquide ou un gaz, et peut résulter d'un changement d'état liquide/gaz ou gaz/liquide, ces derniers fluides possédant un très bon coefficient d'échange thermique avec la paroi intérieure du tube.
Les fluides utilisés comprennent notamment de l'eau, des solutions salines ou autres, des solvants, des liquides caloporteurs, etc.....
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Suivant l'invention, le panneau unitaire comprend deux toiles en fils métalliques à haute conductibilité thermique, de structure et de nature quelconques, par exemple en cuivre. Ces fils ont un diamètre compris entre 0,1 et 3 millimètres, et en général compris entre 0,2 et 2 millimètres. De plus les diamètres des fils de chaîne et des fils de trame peuvent être différents.
La dimension des mailles de la toile est le résultat d'un compro- mis propre à chaque application, entre une structure dense des toiles pour multiplier les bords d'attaque des fils, et une ouverture suffi- sante de la maille, pour réduire à un niveau économique la perte de charge au cours du passage du gaz au travers des toiles.
Les fils métalliques des toiles tissées perpendiculaires aux tubes sont de préférence d'un diamètre plus élevé que les fils parallèles aux tubes.
En effet les fils de faible diamètre sont les meilleurs convecteurs ; ils conviennent pour les fils parallèles aux tubes. Par contre, les fils perpendiculaires aux tubes doivent avoir un diamètre suffi- sant pour assurer le transfert par conductibilité thermique entre ces fils et les tubes de l'enthalpie reçue ou émise par les fils constituant les toiles.
Dans l'exposé de l'invention, les fils perpendiculaires aux tubes seront désignés par fils de chaîne et les fils parallèles aux tubes par fils de trame. Il est évident qu'une disposition inverse pourrait être adoptée.sans sortir du cadre de la présente invention.
Par exemple, on prend un fil d'un diamètre de 0,5 mm en chaîne, et un fil de 0,25 mm en trame ; il n'est pas exclu d'utiliser d'autres rapports.
Suivant une réalisation préférentielle, les surfaces de contact entre fils sont augmentées par laminage des toiles, de manière à passer d'un contact ponctuel à un contact du type ménisque entre les deux fils.'Ce contact élargi favorise le transfert thermique entre fils de trame et de chaîne et permet d'obtenir un coefficient d'échange thermique global du panneau unitaire plus élevé.
Ce laminage est réalisé sous une charge telle que seules les
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surfaces de contact entre fils sont augmentées, et ne modifie en aucune manière le profil des fils entre les surfaces de contact.
Le diamètre des tubes doit être choisi en fonction des caracté- ristiques du fluide circulant dans ces tubes, de son débit et des pertes de charges admises tout en respectant une vitesse de nature à procurer un bon échange thermique entre le fluide et la paroi du tube métallique.
Les tubes sont d'une matière à haute conductibilité, par exemple du cuivre, et ils sont disposés de préférence à intervalles réguliers.
Ils présentent de préférence deux méplats parallèles entre eux sur lesquels sont soudés les toiles métalliques. Par soudure, on comprend également tout autre moyen de fixation, par exemple le brasage, le collage etc.....
L'intervalle entre les tubes est fonction du diamètre des fils de chaîne et des écarts de température admissibles entre gaz et fluide. En général les tubes sont disposés substantiellement parallè- les entre eux et écartés de 1 à 10 cm, le diamètre des fils de chaîne étant choisi en fonction de cet écart.
Les tubes,en général,circulaires sont partiellement aplatis par toute méthode'connue de manière à présenter deux méplats parallèles entre eux, destinés à assurer une liaison efficace entre toiles et tubes, tant en vue d'une solidité satisfaisante du panneau, qu'en vue d'un bon transfert aux tubes de l'enthalpie recueillie ou émise par les fils des deux toiles.
Les panneaux unitaires peuvent avoir des dimensions très variables et sont en général de sections rectangulaires ou carrées.
Les échangeurs du type revendiqués comprennent un seul panneau ou sont formés par assemblage de panneaux unitaires dont le nombre peut même dépasser 10, selon l'ampleur du gradient de température à assurer dans un échange méthodique à contre-courant entre le gaz et le fluide circulant dans les tubes.
De plus,la texture des toiles des panneaux successifs peut être différente pour s'adapter à l'évolution du transfert thermique à assurer au cours du passage du gaz au travers de l'échangeur.
Des entretoises entre les panneaux, disposés perpendiculairement
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aux tubes, assurent avec les tubes, la rigidité¯ de l'ensemble des panneaux et un écartement régulier entre deux panneaux.
Cet écartement est en général constant, mais il n'est pas exclu de le faire éventuellement varier.
Des collecteurs montés aux extrémités des tubes assurent la cir- culation du fluide ; collecteurs sont éventuellement munis de séparations pour adapter la circulation du fluide au niveau d'enthal- pie.- que le gaz est susceptible de recevoir ou d'émettre. Ces sépa- rations permettent un échange méthodique entre gaz et fluide chaque fois que cela est nécessaire et réalisable.
Le courant gazeux est introduit de préférence perpendiculairement aux panneaux par des gaines de section en général identiques à celles de l'échangeur, la même disposition est adoptée à la sortie de l'échangeur.
Les collecteurs inférieurs et supérieurs servent également de gaine au courant gazeux au cours de son passage dans l'échangeur; ils sont en contact direct avec les toiles à l'extrémité des tubes.
Des montages adaptés aux intervalles entre les toiles, et aux conditions d'emploi de l'échangeur, notamment à la pression règnant dans le circuit des gaz, forment les gaines latérales de l'échangeur.
Pour des raisons de protection contre une éventuelle corrosion, un dépôt ou un traitement superficiel de type quelconque peut être appliqué aux éléments constitutifs de l'échangeur formé des panneaux unitaires et des collecteurs.
On peut envisager par exemple, un dépôt électrolytique d'un métal ou un revêtement protecteur à base d'un enduit ou d'une peinture par électrodéposition ou par électrophorèse.
Suivant une réalisation préférentielle, les échangeurs à fils métalliques du type revendiqué sont groupés en étoile dans le cas des aéroréfrigérants. Les panneaux des échangeurs sont disposés verticalement, et les échangeurs sont assemblés en étoile autour d'une gaine centrale d'aspiration du gaz.
En effet dans les aéroréfrigérants industriels, les puissances thermiques à évacuer peuvent atteindre plusieurs dizaines de méga- watts, ce qui implique la mise en oeuvre de surfaces frontales
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importantes.
Les échangeurs décrits ci-dessus sont regroupés par paires autour d'une gaine centrale qui réunit les veines d'air recueillies entre les deux faces des branches de l'étoile.
Dans le cas des aéroréfrigérants, un ou plusieurs ventilateurs installés dans la gaine surmontant l'étoile, créent la dépression nécessaire au passage du courant d'air au travers des échangeurs à fils métalliques du type revendiqué.
Pour cela la face inférieure de l'étoile est entièrement fermée ainsi que la partie supérieure de chaque branche située autour de la gaine. La vitesse du ou des ventilateurs doit être règlable de manière à limiter la consommation d'électricité au gré des conditions climatiques
Si la température du fluide à refroidir est sensiblement plus élevée que celle de l'air, l'adjonction d'une cheminée de hauteur suffisante dans le prolongement de la gaine est susceptible de créer un tirage naturel capable de vaincre la perte de charge au passage de l'air au travers des toiles appropriées. Cette disposition permet d'éviter l'installation de ventilateurs, la consommation d'électri- cité, et la nuisance sonore des ventilateurs.
La disposition inverse avec cheminée inférieure permet de capter l'enthalpie de l'air par un fluide à réchauffer.
L'invention décrite qui permet d'utiliser le haut pouvoir convecteur des fils métalliques, présente de nombreux avantages.
L'avantage le plus important est certainement le maintien d'un coefficient d'échange thermique élevé même à faible vitesse frontale du gaz perpendiculairement aux toiles métalliques.
Cette caractéristique permet de limiter la vitesse du gaz à un niveau suffisant pour assurer le débit d'enthalpie cédée au gaz (cas des aéroréfrigérants et des refroidisseurs de gaz) au cours de son passage au travers de l'échangeur à fils métalliques.
Il en résulte la possibilité de fortes réductions de la vitesse frontale de l'air, susceptible d'apporter des économies très élevées de l'énergie consommée par les ventilateurs. En effet la consomma- tion d'énergie pour un circuit déterminé est proportionnelle au cube
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de la vitesse du gaz ; exemple, la possibilité de réduction de la vitesse du gaz de 3 m/sec à 1 m/sec entraine la réduction de la consommation d'énergie dans le rapport 1'/3' = 1/27. Ce taux très élevé de réduction suppose évidemment des structures de toiles donnant la même perte de charge que les échangeurs à tubes ailetés ou à plaques.
En outre, si un écart faible entre les températures du gaz et du fluide circulant dans les tubes est requis, comme par exemple dans les procédés faisant l'objet du brevet belge n 902120 et de la demande française équivalente n 86 04883, les échangeurs à fils métalliques permettent d'obtenir économiquement cet écart faible, car même à faible vitesse du gaz, la différence entre la température du gaz et la température des fils peut être très faible.
Du fait de leur conception, les échangeurs à fils métalliques sont nettement plus compacts et plus légers que les échangeurs à tubes ailetés habituellement utilisés dans l'industrie.
La disposition en étoile des échangeurs de chaleur du type reven- diqué permet de réduire fortement la surface occupée au sol.
En particulier, dans les procédés employés par l'industrie chi- mique, notamment dans le cas de condensation d'un gaz,'il est possi- ble grâce à l'écart réduit entre la température de l'air et celle du fluide refroidi, de dissocier l'élimination de l'enthalpie dans l'atmosphère par un aéroréfrigérant à fils métalliques du type revendiqué, et le refroidissement des produits chimiques, en utili- sant un liquide caloporteur intermédiaire qui peut être de l'eau éventuellement glycolée pour protection contre le gel, entre l'aéro- réfrigérant et le réfrigérant ou le condenseur des produits chimiques.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide des figures 1 et 2.
La figure 1 représente une coupe partielle d'un ensemble de 3 panneaux unitaires séparés entre eux par des entretoises.
La figure 2 montre une vue en plan d'un ensemble de 24 échangeurs disposés par paire dans 12 branches d'étoile.
Ces figures ne représentent que des exemples de réalisation et ne limitent en aucun cas la présente invention.
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Suivant la figure 1, l'échangeur 1 est constitué de 3 panneaux unitaires 2,3 et 4,séparés entre eux par des entretoises 5 et 6.
Les entretoises constituées, par exemple, par un profilé adéquat en matière plastique ou autres matériaux, ont une épaisseur de quel- ques millimètres.
Les toiles métalliques 7 et 8 du panneau 2 sont soudées à inter- valles réguliers aux tubes voisins 9 et 10.
Les toiles métalliques utilisées sont obtenues par tissage de fils métalliques, par exemple en cuivre, d'un diamètre de 0,3 mm en trame et de 0,6 mm en chaîne.
Les tubes d'un diamètre de 5 mm sont disposés parallèlement entre eux et espacés entre eux, par exemple, de 3 cm.
La même disposition est choisie pour les panneaux 3 et 4, placés de manière à assurer une disposition en quinconce des tubes métal- liques.
Les tubes métalliques 9 et 10 ainsi que les tubes des autres panneaux 3 et 4 présentent chacun des méplats 11 et 12.
Les méplats ont été obtenus par tout moyen connu tel qu'un aplatis- sement partiel du tube ou directement en fabrication à partir d'une filière profilée.
Les méplats des tubes utilisés dans l'exemple présenté à la figure 1, ont une largeur d'environ 3 mm.
Suivant la figure 2, un ensemble 13 de 24 échangeurs disposés verticalement et groupés par paire 14 et 15, en 12 branches sembla- bles à la branche 16, forment l'étoile 17 autour et en-dessous de la gaine circulaire 18.
Le ventilateur à axe vertical 19 centré dans la gaine 18 crée dans l'étoile 17, la dépression nécessaire à l'aspiration de l'air au travers des échangeurs.
Le circuit de l'air pour l'échangeur 14 a été indiqué par les flèches 20 et 21.
Les échangeurs schématisés à la figure 2 peuvent être d'un type quelconque. Par exemple, la disposition de l'échangeur de la figure 1 peut être choisie. L'échangeur unitaire utilisé peut comprendre de 1 à plus de 10 panneaux unitaires.
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De telles réalisations permettent d'obtenir des coefficients d'échange thermique élevés.
Par exemple, un échangeur composé de 6 panneaux unitaires similaires à ceux décrits ci-dessus, donne un coéfficient d'échange thermique voisin de 2,5 kW par mètre carré de surface frontale, et par degré de différence logarithmique des températures entre air et fluide, même pour une vitesse frontale de l'air de l'ordre de 1 mètre par seconde.