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Echangeur de chaleur entre un gaz 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 constitue 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 vitesses d'air circulant entre ces plaques ou entre ces ailettes, suffisamment 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'améliorer économiquement.
Le brevet belge n 08800885 déposé le 29-7-1988 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 deux toiles tissées en fils métalliques à haute conductibilité thermique, entre lesquelles sont soudés à intervalles des tubes métalliques disposés substantiellement parallèlement entre eux dans lesquels circule le fluide, le gaz circulant de préférence perpendiculairement aux tubes.
En vue d'accroitre les surfaces de contact entre fluides, le nombre des toiles tissées en fils métalliques peut être augmenté, par exemple doublé ou triplé.
Le panneau unitaire peut ainsi comprendre deux ensembles de 2 ou 3 toiles ou plus tissées en fils métalliques, entre lesquels sont soudés à intervalles des tubes métalliques.
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Le nombre de toiles à utiliser sera limité à 2 ou 3 toiles et de préférence à deux toiles pour des raisons de construction et d'optimisation d'un échange méthodique.
Dans le cas d'utilisation de deux ensembles de plusieurs toiles métalliques, et en vue de multiplier les ruptures de veines gazeuses, les toiles d'un même ensemble seront espacées entre leurs points de soudure au contact des tubes.
A titre d'exemple, les toiles sont espacées de quelques millimètres, par exemple 3 mm.
Les conditions de structure des toiles métalliques sont identiques à celles utilisées dans le brevet belge n 08800885.
Le gaz choisi est généralement de l'air, ce qui n'exclut pas l'utilisation 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....
Suivant l'invention, le panneau'unitaire comprend deux ou plusieurs toiles en fils métalliques à haute conductibilité thermique, de struc- ture et de nature quelconques, par exemple en cuivre. Ces fils ont un diamètre compris enter 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 compromis propre à chaque application, entre une structure dense des toiles pour multiplier les bords d'attaque des fils, et une ouverture suffisante 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.
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Par contre, les fils perpendiculaires aux tubes doivent avoir un diamètre suffisant 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 ; mais 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 plus élevé.
Ce laminage est réalisé sous une charge telle que seules les 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 caractéristiques du fluide circulant dans ces tubes, de son débit et des pertes de charge 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 soudées 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 parallèlement entre eux écartés de 1 à 10 cm, le diamètre des fils de chaîne étant choisi en fonction de cet écart.
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Les tubes en général ciculaires, 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 toiles.
Les panneaux unitaires peuvent avoir des dimensions très variables et sont en général de sections rectangulaires ou carrées.
Les échangeurs du type revendiqué 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, disposées perpendiculairement 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 ou des connexions entre les extrémités des tubes de panneaux successifs, assurent la circulation du fluide ; ces collecteurs sont éventuellement munis de séparations pour adapter la circulation du fluide au niveau d'enthalpie que le gaz est susceptible de recevoir ou d'émettre. Ces sépararations 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 1'échangeur.
Les collecteurs ou des tôles en cas de connexions entre les extrémités des tubes de panneaux successifs servent de gaines sur deux des quatre côtés de l'échangeur ; les collecteurs sont en contact direct avec les toiles à l'extrémité des tubes ; dans le cas de connexions
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entre extrémités des tubes de panneaux successifs, une entretoise souple est montée entre les tôle et les toiles de manière à permettre la dilatation différentielle des panneaux.
Des montages adaptés aux intervalles entre toiles, et aux conditions d'emploi de l'échangeur, notamment à la pression régnant dans le circuit des gaz forment les deux autres côtés de la gaine du courant gazeux dans l'échangeur.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la Figure 1 représentant un panneau unitaire formé de deux ensembles de deux toiles métalliques entre lesquels sont soudés à intervalles des tubes métalliques disposés substantiellement parallèlement entre eux, dans lesquels circule le fluide.
Les ensembles 1 et 2 formés chacun de deux toiles 3,4 et 5,6 sont soudés respectivement aux points 7,8 et 9,10 aux tubes 11 et 12.
Les toiles sont séparées entre elles d'un espace de quelques millimètres.