FR2465180A1 - HEAT EXCHANGER BOILING SURFACE AND PROCESS FOR PRODUCING A METAL LAYER DEPOSITED ON SUCH A SURFACE - Google Patents

Abstract

SURFACE D'EBULLITION SE COMPOSANT D'UN SUBSTRAT METALLIQUE 1 SUR LAQUELLE EST DEPOSEE UNE COUCHE METALLIQUE 11. LA COUCHE SE COMPOSE DE CORPS INDIVIDUELS METALLIQUES 4, 5 QUI SONT PARTIELLEMENT CONTIGUS ET QUI PEUVENT ETRE APPROXIMATIVEMENT SPHERIQUES OU APLATIS. UNE PARTIE DES CORPS ADHERE AU SUBSTRAT 1 ET LES CORPS VOISINS ADHERENT LES UNS AUX AUTRES LE LONG DE LEURS SURFACES DE CONTACT2 ET 3 ET D'AUTRES SURFACES DE CONTACT 6 SONT FORMEES DE PARTICULES ENCASTREES LES UNES DANS LES AUTRES. LA DIVERSITE DE FORME DES CORPS CONFERE UNE STRUCTURE EXTREMEMENT HETEROGENE A LA COUCHE 11. LA SURFACE DE LA COUCHE METALLIQUE AINSI FORMEE EST CONSIDERABLEMENT AGRANDIE AU VOISINAGE DE LA COUCHE LIMITE DU LIQUIDE EN EBULLITION. APPLICATION PAR EXEMPLE A LA SURFACE D'EBULLITION D'EVAPORATEURS DE MACHINE FRIGORIFIQUE.BOILING SURFACE CONSISTING OF A METAL SUBSTRATE 1 ON WHICH A METAL LAYER IS DEPOSITED 11. THE LAYER CONSISTS OF INDIVIDUAL METAL BODIES 4, 5 WHICH ARE PARTLY CONTIGUOUS AND WHICH CAN BE APPROXIMATELY SPHERICAL OR FLAT. PART OF THE BODIES ADHERED TO SUBSTRATE 1 AND THE NEIGHBORING BODIES ADHER TO ONE TO THE OTHERS ALONG THEIR CONTACT SURFACES 2 AND 3 AND OTHER CONTACT SURFACES 6 ARE IN THE FORM OF PARTICLES EMBEDDED INTO ONE ANOTHER. THE DIVERSITY OF SHAPE OF THE BODIES PROVIDES AN EXTREMELY HETEROGENIC STRUCTURE TO LAYER 11. THE SURFACE OF THE METAL LAYER THUS FORMED IS CONSIDERABLY ENLARGED IN THE NEARBY LAYER OF THE BOILING LIQUID. APPLICATION FOR EXAMPLE TO THE BOILING SURFACE OF EVAPORATORS OF A REFRIGERATION MACHINE.

Description

1.1.

L'invention se rapporte à une surface d'ébul-  The invention relates to an ebullition surface

lition d'échangeur de chaleur, se composant d'un substrat  heat exchanger lition, consisting of a substrate

métallique sur lequel est déposée une couche métallique.  metal on which is deposited a metal layer.

Un procédé bien connu destiné à améliorer la transmission de chaleur de la surface chauffée d'un échan-  A well-known method for improving heat transfer from the heated surface of an

geur au liquide en ébullition consiste à conférer une struc-  the boiling liquid consists in conferring a structure

ture correspondante à cette surface.  corresponding to this surface.

Un procédé connu consiste à déposer sur la sur-  A known method consists in depositing on the surface

face lisse de métal une couche métallique poreuse contenant des canaux capillaires dont l'orifice de sortie se trouve à la surface de la couche et qui constituent des points de  smooth metal face a porous metal layer containing capillary channels whose exit orifice is at the surface of the layer and which constitute

germination donnant naissance à des bulles de gaz. Ces cou-  germination giving rise to gas bubbles. These cou-

ches sont formées de corps individuels reliés aux surfaces de contact de manière que la couche contienne des cavités reliées en étant réparties statistiquement, la structure  are formed of individual bodies connected to the contact surfaces so that the layer contains connected cavities statistically distributed, the structure

capillaire ainsi formée contenant de nombreux canaux cor-  capillary thus formed containing many channels cor-

respondants qui sont ouverts sur la surface.  respondents who are open on the surface.

Les nombreux corps individuels nécessaires à donner la structure capillaire à la couche d'ébullition ne  The many individual bodies needed to give the capillary structure to the boiling layer do not

sont reliés qu'aux surfaces de contact et donc le trans-  are connected only to the contact surfaces and thus the trans-

port de chaleur ne peut avoir lieu à l'intérieur de la couche que par les ponts thermiques formés par les points  heat can only take place inside the layer by the thermal bridges formed by the points

de contact et il est en conséquence notablement entravé.Il en ré-  of contact and is therefore significantly hampered.

sulte une inertie thermique qui empêche la transmission de  a thermal inertia which prevents the transmission of

chaleur lors de l'ébullition.heat when boiling.

Par ailleurs, la structure capillaire fine de  Moreover, the fine capillary structure of

la couche est très sensible aux impuretés lors de sa réa-  the layer is very sensitive to impurities when it is

lisation ou de son traitement ainsi qu'aux impuretés du  its treatment and the impurities of the

liquide en ébullition lors de son utilisation.  boiling liquid during use.

Ces couches peuvent être réalisées par exemple par des procédés coûteux de brasage ou de frittage tels que  These layers can be made for example by expensive soldering or sintering processes such as

décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n03 384 154.  described in U.S. Patent No. 3,384,154.

Des additifs métalliques ou des adjuvants organiques utili-  Metal additives or organic additives

sés dans ce procédé demeurent partiellement dans la couche.  in this process remain partially in the layer.

Les additifs métalliques forment en majeure partie des combinaisons avec le matériau des différents corps de la couche et celui du substrat ou forment aussi en partie des résidus métalliques purs et donc la couche 2.  Most of the metal additives are combinations with the material of the various bodies of the layer and that of the substrate or they also partly form pure metal residues and thus layer 2.

est constituée de matériaux multiples et de leurs combinai-  consists of multiple materials and their combinations

sons.sounds.

Les adjuvants organiques nécessaires au fritta-  Organic adjuvants needed for fritta-

ge demeurent aussi sous forme de résidus en petites quan-  age also remain in the form of residues in small quantities

tités dans la couche.in the layer.

Un domaine important d'utilisation des échan-  An important area of use of

geurs de chaleur, dont les couches d'ébullition sont réa-  heat exchangers, whose boiling layers are

lisées de la manière décrite, est celui des évaporateurs de liquides organiques servant de fluides de travail -pour des processus cycliques. Ces fluides de travail utilisés  As described, this is that of organic fluid evaporators as working fluids for cyclic processes. These working fluids used

sur de longues périodes sont extrêmement sensibles au con-  over long periods of time are extremely sensitive to

tact avec des substances étrangères organiques et même mé-  tact with organic foreign substances and even

talliques. Les fluides de travail utilisés fréquemment dans les pompes de chaleur et les installations frigorifiques sont des hydrocarbures chlorés et fluorés auxquels sont mélangés de faibles quantités d'huile de lubrification  als. The working fluids frequently used in heat pumps and refrigeration plants are chlorinated and fluorinated hydrocarbons which are mixed with small amounts of lubricating oil

des machines frigorifiques. Les substances étrangères or-  refrigerating machines. Foreign substances

ganiques encore présentes dans la couche d'ébullition for-  ganes still present in the boiling layer

ment fréquemment des composés chimiques nuisibles avec le mélange de fluide de travail et d'huile de lubrification  frequently harmful chemical compounds with the mixture of working fluid and lubricating oil

etpar ailleurs,les substances étrangères métalliques peu-  and, moreover, foreign metallic substances can

vent provoquer une décomposition du fluide de travail.  cause decomposition of the working fluid.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n03 990 862 décrit une autre possibilité de réalisation de structures  U.S. Patent No. 3,990,862 discloses another possibility of making structures

capillaires dans des couches d'ébullition. D'après ce pro-  capillaries in boiling layers. According to this

cédé, des particules métalliquessontpulvérisées par un pro-  yielded, metal particles were sputtered by a

cédé spécial de projection à la flamme sur un substrat de manière à former une couche d'ébullition se composant de nombreuses particules métalliques dont la majeure partie  special method of flame projection onto a substrate so as to form a boiling layer consisting of a large number of metal particles, most of which

est déformée et qui a la structure capillaire recherchée.  is deformed and has the desired capillary structure.

Une particularité essentielle de ce procédé consiste en l'oxydation partielle des particules métalliques dans une flamme produite avec excès d'oxygène. Pour garantir cette oxydation, il faut utiliser des métaux qui forment en peu  An essential feature of this process is the partial oxidation of the metal particles in a flame produced with excess oxygen. To guarantee this oxidation, it is necessary to use metals which form in a few

de temps une importante peau oxydée dont le point de fu-  of time a large oxidized skin whose point of

sion diffère notablement de celui de la matière première.  sion differs significantly from that of the raw material.

Le cuivre est par exemple un métal de ce type. Les oxydes métalliques sont destinés à conférer la résistance mécanique 3. nécessaire à la couche d'ébullition ayant cette structure capillaire particulière. Mais ils reoJsencenc des co-posés chimiques qui peuvent provoquer la décomposition du fluide  Copper is for example a metal of this type. The metal oxides are intended to impart the necessary mechanical strength 3 to the boiling layer having this particular capillary structure. But they are releasing chemical co-poses that can cause the decomposition of the fluid

de travail, comme décrit plus haut.  as described above.

L'invention a pour objet une surface d'ébul-  The subject of the invention is an ebullition surface

lition d'échangeur qui garantit une très bonne transmis-  exchanger, which guarantees a very good transmission

sion de chaleur de la surface d'ébullition au liquide cor-  of heat from the boiling surface to the liquid cor-

respondant, qui ne contient aucune impureté nuisible et  respondent, which contains no harmful impurities and

qui a une faible inertie thermique.which has a low thermal inertia.

Selon une particularité essentielle de l'in-  According to an essential feature of the

vention, la couche se compose de corps individuels métal-  vention, the layer consists of individual bodies

liques de différentes formes qui sont en partie contigus  different forms which are partly contiguous

et la couche est pratiquement exempte de canaux capillai-  and the layer is substantially free of capillary channels.

res la traversant et de pores fermés, la profondeur des espaces subsistant entre les corps individuels et ouverts sur la surface d'ébullition représentant en moyenne plus  through the pores and closed pores, the depth of spaces remaining between the individual bodies and open on the boiling surface representing on average more

de 40 % de l'épaisseur de la couche, cette épaisseur me-  40% of the thickness of the layer, this thickness

surée sur le relief maximal étant comprise entre 30 et  surée on the maximum relief being between 30 and

300 nm.300 nm.

Un procédé avantageux de réalisation de la  An advantageous method of carrying out the

couche métallique consiste à déposer les particules for-  metal layer consists in depositing the particles

mant lés corps individuels sur le substrat par le procédé connu de projection de poudre à la flamme suivant lequel un courant gazeux accéléré,qui est chauffé par combustion de deux gaz, dont la température est abaissée par un gaz de refroidissement et dont le bilan massique de tous les courants partiels qui le produisent cosmprend le gaz -de combustion et l'oxygène en rapport stoechiométrique, forme un jet des particules de la poudre de métal qui sont  coating the individual bodies on the substrate by the known flame projection method according to which an accelerated gas stream, which is heated by combustion of two gases, whose temperature is lowered by a cooling gas and whose mass balance of all the partial currents that produce it contain the combustion gas and the oxygen in stoichiometric ratio, form a jet of the particles of the metal powder which are

chauffées par le courant gazeux, dont la surface est ramol-  heated by the gas stream, the surface of which is softened

lie et qui sont transportées vers le substrat.  and which are transported to the substrate.

La couche de l'invention consiste donc en une unique matière et donc l'influence néfaste de substances  The layer of the invention therefore consists of a single material and therefore the harmful influence of substances

étrangères sur les structures capillaires connues est éli-  strains on known capillary structures is

minée.undermined.

La structure de la couche consistant en de  The structure of the layer consisting of

multiples corps individuels de formes différentes en aug-  multiple individual bodies of different shapes

mente la surface au voisinage de la couche limite du liquide 4. en ébullition. Ainsi, un grand volume de liquide peut être  mente the surface in the vicinity of the boundary layer of liquid 4. boiling. So, a large volume of liquid can be

échauffé en peu de temps au voisinage de la couche limite.  heated in a short time in the vicinity of the boundary layer.

Les bulles de vapeur dégagées évacuent donc de la surface d'ébullition de grandes quantités de liquide de la couche limite, ce facteur garantissant une très bonne transmis-  The vapor bubbles released thus evacuate large amounts of liquid from the boiling surface of the boundary layer, this factor ensuring a very good transmission of

sion de chaleur de la surface d'ébullition au liquide cor-  of heat from the boiling surface to the liquid cor-

respondant. De nombreuses rainures, contre-dépouilles et géométries analogues qui sont produites aux jonctions des îI corps individuels constituent des points de germination de  sponding. Numerous grooves, undercuts and similar geometries which are produced at the junctions of the individual bodies constitute germination points of

bulles. Ce facteur garantit le dégagement intense de bul-  bubbles. This factor guarantees the intense release of bulbs

les qui est nécessaire à l'évacuation du liquide chauffé  which is necessary for the evacuation of the heated liquid

de la couche limite.of the boundary layer.

Le phénomène d'ébullition va être rappelé ci-  The boiling phenomenon will be recalled here

dessous pour bien faire comprendre les fondements et le  underneath to help understand the fundamentals and

déroulement du processus auquel se rapporte l'invention.  process flow to which the invention relates.

L'ébullition sur les surfaces se déroule sui-  The boiling on the surfaces follows

vant des lois telles que décrites, par exemple dans une dissertation de la.revue D.K.V. n0 18, de 1964, ayant pour titre "Beitrag zur Thermodynamik des WârmeUberganges bein  laws as described, for example in an essay by D.K.V. No. 18, of 1964, entitled "Beitrag zur Thermodynamik des WârmeUberganges bein

Siedenl' (contribution à la thermodynamique de la transmis-  Siedenl '(contribution to the thermodynamics of

sion de chaleur lors de l'ébullition) et publiée par K.  boiling heat) and published by K.

Stephan, lois suivant lesquelles des petites bulles de va-  Stephan, laws according to which small bubbles of

peur dégagées aux points de germination qui sont répartis  fear released at the germination points that are distributed

statistiquement à la surface croissent jusqu'à ce qu'elles at-  statistically on the surface grow until they reach

teignent leur diamètre de détachement, puis décollent de la surface et montent dans le liquide en ébullition. D'autres bulles de vapeur se dégagent et le processus se répète à la vitesse dite fréquence de formation des bulles. Comme  dye their detachment diameter, then take off from the surface and rise into the boiling liquid. Other bubbles of steam emerge and the process is repeated at the so-called rate of bubble formation. As

l'ont montré, par exemple, von Han et Griffith dans l'ar-  have shown, for example, von Han and Griffith in the

ticle intitulé "The Mechanism of Heat Transfer in Nucleate Pool Boiling" (le mécanisme de transfert de chaleur par ébullition avec dégagement de bulles en réservoir) publié dans la revue Int. J. Heat Mass Transfer, volume 8, 1965,  A paper entitled "The Mechanism of Heat Transfer in Nuclear Pool Boiling" published in the journal Int. J. Heat Mass Transfer, Volume 8, 1965,

pages 887 à 914 ainsi que par von Beer et Durst dans l'ar-  pages 887 to 914 and by von Beer and Durst in the

ticle intitulé "Mechanismen der WârmeUbertragung beim  article entitled "Mechanismen der WârmeUbertragung beim

Blasensieden und ihre Simulation" (mécanismes de la trans-  Blasensieden und ihre Simulation "(mechanisms of trans-

5. mission de chaleur lors de l'ébullition avec dégagement de bulles et leur simulation) et publié dans la revue Chemie Ing. Tech. n0 40 (1968), fascicule 13, pages 632 à 638,  5. boiling heat mission with bubble release and simulation) and published in Chemie Ing. Tech. No. 40 (1968), issue 13, pages 632 to 638,

le temps désigné par le concept de "fréquence de dégage-  the time designated by the concept of "frequency of

ment des bulles" se décompose en deux, à savoir le temps d'attente et le temps proprement dit de dégagement des bulles, le temps d'attente pouvant représenter 60 à 80 %  bubbles "is decomposed in two, namely the waiting time and the actual time of release of the bubbles, the waiting time may represent 60 to 80%

du temps total. Pendant le temps d'attente, la couche li-  total time. During the waiting period, the layer

mite du liquide adhérant à la surface d'ébullition est chauffée par conduction thermique. Après établissement  mite liquid adhering to the boiling surface is heated by thermal conduction. After establishment

d'un certain profil de température dans cette couche limi-  of a certain temperature profile in this limiting layer

te, la bulle de vapeur commence d'apparaître, elle croît  you, the bubble of steam begins to appear, it grows

jusqu'au moment auquel elle atteint le diamètre de déta-  until it reaches the diameter of

chement, puis elle décolle de la surface d'ébullition. Lors de ce décollement, la bulle de vapeur évacue de la surface d'ébullition la couche limite de liquide réchauffée qui 1 'entoure par le phénomène dit de "convexion des masses" ou par leur "courant de dérive ou de déplacement" qu'elles amorcent. La sphère d'influence du courant de déplacement  carefully, then it takes off from the boiling surface. During this separation, the vapor bubble removes from the boiling surface the heated liquid boundary layer which surrounds it by the so-called "mass convection" phenomenon or by their "drift or displacement current" which they begin. The sphere of influence of the displacement current

sur la couche limite correspond approximativement au dia-  the boundary layer corresponds approximately to the di-

mètre de détachement des bulles. A la fin de la convexion des masses dans la couche limite, du "liquide froid" se dirige sur la surface d'ébullition sur laquelle il est  detachment meter of the bubbles. At the end of the convection of the masses in the boundary layer, "cold liquid" is directed to the boiling surface on which it is

à nouveau échauffé. La chaleur est donc évacuée de la sur-  again heated. The heat is thus removed from the over-

face d'ébullition en majeure partie par conduction thermi-  boiling face largely by thermal conduction

que instationnaire.than unsteady.

Les relations suivantes données en conclusion dans  The following relationships are concluded in

les publications mentionnées ci-dessus peuvent être utili-  the publications mentioned above may be used

sées pour l'évaluation des grandeurs. Le diamètre de déta-  for the evaluation of quantities. The diameter of

chement des bulles est le suivant dA = 0,0146. O l 2. (v' -v" A. (y" - VI) La fréquence des bulles peut se déterminer par approximation à l'aide de la relation suivante f.dA 1/2= 1,75 6.  The bubble ratio is dA = 0.0146. The frequency of the bubbles can be determined by approximation using the following relation f.dA 1/2 = 1.75 6.

L'épaisseur de la couche limite après détache-  The thickness of the boundary layer after detachment

ment des bulles est égale à: 6 = a-ir- a( Cw g (m/s) dA (m) P (o) e (N/m) v' (m3/kg) v" (m3/kg) f (1/s) a (m2/s) twz (s) Vra (sm) S A (m)  bubbles are equal to: 6 = a-ir- a (Cw g (m / s) dA (m) P (o) e (N / m) v '(m3 / kg) v "(m3 / kg) f (1 / s) a (m2 / s) twz (s) Vra (sm) SA (m)

±u /.) y-,/.± u /.) Y -, /.

Dans ces relations: : accélération terrestre : diamètre de détachement des bulles : anqle de mouillage de la bulle de vapeur adhérente  In these relations: Earth acceleration: bubble detachment diameter: anchoring bubble of adherent vapor bubble

: tension superficielle du liquide en ébulli-  : superficial tension of the boiling liquid

tion : volume spécifique du liquide : volume spécifique de la vapeur dégagée : fréquence des bulles : coefficient de conductibilité thermique du liquide : temps d'attente : temps de croissance des bulles  specific volume of the liquid: specific volume of the vapor released: frequency of the bubbles: coefficient of thermal conductivity of the liquid: waiting time: bubble growth time

: épaisseur de la couche limite lors du décol-  : thickness of the boundary layer during decol-

lementLEMENT

Le tableau I reporté en fin de description du  Table I reported at the end of the description of the

présent mémoire donne les valeurs calculées de quelques liquides en ébullition utilisés classiquement en technique  present memory gives the calculated values of some boiling liquids conventionally used in technical

du froid et les plages usuelles des températures d'ébul-  of cold and the usual ranges of boiling temperatures

lition. Les processus physiques qui ont été décrits et  lition. The physical processes that have been described and

se produisant lors d'une ébullition ont conduit à la con-  occurring during boiling have led to

clusion sur laquelle se fonde l'invention et selon laquel-  clusion on which the invention is based and according to which

le il est possible d'améliorer la transmission de chaleur en augmentant considérablement la surface d'ébullition dans  it is possible to improve the heat transfer by considerably increasing the boiling surface in

la sphère d'influence de la couche limite et des bulles.  the sphere of influence of the boundary layer and bubbles.

Il est possible ainsi d'abréger notablement le temps d'apparition du profil de température de la couche  It is thus possible to significantly shorten the time of appearance of the temperature profile of the layer

limite, c'est-à-dire le temps d'attente, et de plus d'aug-  limit, that is to say the waiting time, and more

menter considérablement le volume du liquide de la couche  significantly reduce the volume of the liquid in the diaper

limite qu'une bulle enlève de la surface d'ébullition.  limit that a bubble removes from the boiling surface.

Il a été découvert conformément à l'invention que pour améliorer la transmission de chaleur, il faut que 7. la hauteur totale de la structure destinée à augmenter la surface, c'est-à-dire l'épaisseur de la couche mesurée sur le relief le plus élevé,soit du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la couche limite, mais -il ne faut pas qu'elle dépasse le quintuple de cette épaisseur. L'inventiona être décrite plus en détail en  It has been discovered according to the invention that to improve the heat transfer, it is necessary that the total height of the structure intended to increase the surface, that is to say the thickness of the layer measured on the highest relief, of the same order of magnitude as the thickness of the boundary layer, but it must not exceed five times that thickness. The invention will be described in more detail in

regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement li-  with reference to the accompanying drawings as an example in no way

mitatif et sur lesquels:mitative and on which:

- la figure 1 est un graphique donnant l'aug-  FIG. 1 is a graph showing the increase

mentation de surface de la structure qu'il est possible  surface ration of the structure that is possible

d'obtenir en fonction des différentes formes des corps in-  to obtain according to the different forms of

dividuelsdividual

- la figure 2 est une coupe longitudinale par-  FIG. 2 is a longitudinal section through

tielle schématique de la couche métallique; - les figures 3 et 4 sont des prises de vues photographiques effectuées au microscope électronique à  schematic diagram of the metal layer; FIGS. 3 and 4 are photographic images taken under the electron microscope at

balayage de surface et représentent des structures de sur-  surface scan and represent structures of

face à l'échelle 100:1 et à l'échelle 500:1.  facing the 100: 1 scale and the 500: 1 scale.

- la figure 5 est un schéma simplifié d'un dis-  FIG. 5 is a simplified diagram of a

positif de projection à la flamme destiné à la réalisation  positive flame projection for the realization

d'une couche métallique et représente ce dispositif en ser-  of a metal layer and represents this device in ser-

vice; et - la figure 6 est un graphique représentant les courbes de mesure des puissances calorifiques transmises  vice; and FIG. 6 is a graph representing the measurement curves of the transmitted heat capacities.

en fonction des élévations de température.  depending on the temperature rise.

Un calcul a été effectué pour des corps indi-  A calculation was made for indi-

viduels de géométrie simple, par exemple des parallélépi-  videos of simple geometry, eg parallelepipeds

pèdes, des cylindres, pyramides et analogues, pour évaluer les possibilités d'augmentation de surface F/IF vis-à-vis d'une surface lisse F par structuration fine de la surface obtenue conformément à l'invention. Il a été admis pour effectuer ce calcul que les corps individuels forment une structure dense sur un substrat lisse, le rapport V de la plus courte distance entre corps individuels voisins et le bord des arêtes ou le diamètre de leur surface de base étant  pedestrians, cylinders, pyramids and the like, for evaluating the possibilities of increasing surface area F / IF with respect to a smooth surface F by fine structuring of the surface obtained according to the invention. It has been accepted for this calculation that the individual bodies form a dense structure on a smooth substrate, the ratio V of the shortest distance between adjacent individual bodies and the edge of the edges or the diameter of their base surface being

très faible, c'est-à-dire V < 0,2.  very low, that is to say V <0.2.

La figure 1 représente les augmentations de  Figure 1 shows the increases in

surface obtenues F/F0 en fonction du rapport V pour diffé-  obtained surface F / F0 as a function of the ratio V for different

8.8.

rentes géométrieso La courbe - se rapponrte _ des narallê-  geometrical rents The curve - recalls _ the narallê-

lé-ipèdes dont le rapport de hauteur H au bord des arêtes s est h/s = 1; la courbe II se rapporte à- des cylindres dont le rapport de hauteur h au diamètre d es: /d= i; a courbe III se rapporte à des cônes à angle au sommet t= 30 ; la courbe IV se rapporte à des pyramides angle au sommet l:= 45 ; la courbe V se rapporte à des  le-ipedes whose ratio of height H to the edge of edges s is h / s = 1; Curve II relates to cylinders whose ratio of height h to diameter d is / d = i; Curve III refers to cones with an apex angle t = 30; curve IV refers to pyramids angle at the apex l: = 45; curve V relates to

cônes à angle au sommetr= 45 , et la courbe IV se rappor-  cones at the vertex r = 45, and curve IV relates to

te à des hémisphères.to hemispheres.

Os La figure I montre qu'il est possible d'obtenir  Os Figure I shows that it is possible to obtain

des augmentations considérables de surface qui sont fonc-  considerable increases in area that are

tion de la hauteur absolue des corps individuels. La super-  the absolute height of the individual bodies. The super-

position de corps de formes différentes à l'intérieur de la couche déposée sur le substrat permet d'augmenter encore  body position of different shapes inside the layer deposited on the substrate allows to increase further

notablement la surface.noticeably the surface.

La figure 2 est une coupe longitudinale schéma-  Figure 2 is a schematic longitudinal section

tique d'une couche déposée sur une cloison métallique 1.  tick of a layer deposited on a metal partition 1.

Les corps individuels ont des formes différentes qui leur sont conférées essentiellement lors de la réalisation de la couche de manière qui sera décrite plus en détail par la suite. D'après la figure 2, la couche est formée de corps individuels 4 et 5 approximativementsphéroidaux et plus fortement aplatis. Une partie des corps adhère à la cloison 1 et les corps voisins adhèrent les uns aux autres le long de leurs surfaces de contact 2 et 3 et d'autres  The individual bodies have different shapes which are conferred on them essentially during the production of the layer in a manner to be described in more detail below. According to FIG. 2, the layer is formed of individual bodies 4 and 5 that are approximatively spherical and more strongly flattened. Part of the body adheres to the partition 1 and the neighboring bodies adhere to each other along their contact surfaces 2 and 3 and others

surfaces de contact 6 sont produites par des encastrements.  contact surfaces 6 are produced by recesses.

La couche solide ainsi formée a un excellent coefficient de transmission de chaleur. La transition de la surface d'un corps à celle du corps voisin est dans de nombreux cas en forme de rainures 7. La diversité de forme des corps confère une structure extrêmement hétérogène à la couche  The solid layer thus formed has an excellent coefficient of heat transfer. The transition of the surface of a body to that of the neighboring body is in many cases in the form of grooves 7. The diversity of shape of the bodies confers an extremely heterogeneous structure on the layer

11, des trous 8 situés entre les différents corps et attei-  11, holes 8 located between the different bodies and reach

gnant le substrat, des cratères 9, des interstices allongés et d'autres formes pouvant se produire et constituant  substrate, craters 9, elongate interstices and other shapes that may occur and

d'excellents points de germination de bulles en garantis-  excellent bubble germination points guaranteeing

sant ainsi que les bulles de vapeur couvrent au moins tota-  as well as the vapor bubbles cover at least

lement la surface d'ébullition, même lorsque l'élévation de 9.  the boiling surface, even when the elevation of 9.

température T-Ts de la surface d'ébullition est très fai-  T-Ts temperature of the boiling surface is very low.

ble par rapport à la température de saturation T du li-  the saturation temperature T of the li-

ss

quide en ébullition.quide in boiling.

L'épaisseur de la couche est mesurée entre le relief le plus élevé et la surface de la cloison qui cède la chaleur et, conformément à l'invention, elle est  The thickness of the layer is measured between the highest relief and the surface of the partition which yields the heat and, according to the invention, it is

comprise entre 30 et 300 gm. Des espaces ouverts subsis-  between 30 and 300 gm. Open spaces remain

tant- entre les corps de la couche et sur la hauteur dé-  between the body of the layer and the height de-

terminée par ceux-ci ont une profondeur qui peut être com-  completed by these have a depth that can be

prise entre quelques pourcents et la totalité de l'épais-  taken between a few percent and the entire thickness

seur de la couche, mais qui correspond en moyenne à plus de 40 % de cette épaisseur. Les prises de vue des figures 3 et 4 sur lesquelles les références sont les mêmes que  layer, but averages more than 40% of that thickness. The shots of Figures 3 and 4 on which the references are the same as

celles utilisées pour la figure 2 font apparaître la struc-  those used for Figure 2 show the structure

ture de surface obtenue par le procédé de l'invention.  surface area obtained by the process of the invention.

La structure de la couche métallique conforme  The structure of the conformal metal layer

à l'invention permet d'augmenter considérablement la sur-  the invention makes it possible to considerably increase the

face par rapport à celle du substrat, par exemple dans un  face to that of the substrate, for example in a

rapport pouvant être compris entre 2 et 10.  ratio can be between 2 and 10.

Un procédé avantageux de réalisation de la cou-  An advantageous method of producing the

che consiste en une modification du procédé connu de pro-  consists of a modification of the known pro-

jection de poudre à la flamme, les particules métalliques de la matière première étant projetées à l'état ramolli ou pâteux sur le substrat. Les particules métalliques peuvent  jection of powder to the flame, the metal particles of the raw material being projected in the softened or pasty state on the substrate. Metal particles can

avoir différentes formes géométriques avant-d'être projetées.  have different geometric shapes before being projected.

Les formes utilisées peuvent être par exemple celles de sphères, de cubes, de corps prismatiques, de polyèdres,. de dendrites ou peuvent aussi être irrégulières. Ces  The shapes used can be for example those of spheres, cubes, prismatic bodies, polyhedra ,. dendrites or may also be irregular. These

particules métalliques sont entraînées dans un courant ga-  metal particles are entrained in a

zeux chaud dans lequel elles sont réparties uniformément.  hot zeux in which they are evenly distributed.

Le courant gazeux constitue d'une part un vecteur des par-  The gaseous stream constitutes on the one hand a vector of the

ticules métalliques vers le substrat et d'autre part une  metal particles to the substrate and on the other hand a

source de chaleur destinée à échauffer les particules mé-  a source of heat to heat the particulate matter

talliques. Ces particules sont échauffées à partir de leur surface et la température ainsi que la vitesse du courant  als. These particles are heated from their surface and the temperature as well as the speed of the current

gazeux et, de plus, la longueur de la trajectoire des par-  gaseous and, in addition, the length of the trajectory of the

ticules permettent de faire varier de manière connue le 1.0. temps passé par ces particules dans le courant gazeux et donc leur échauffement ainsi que leur ramollissement. Les particules métalliques se déforment en fonction de leur ramollissement et de leur vitesse d'impact sur le substrat et elles s'encastrent sur ce dernier et à leurs points de contact mutuel en s'enserrant mutuellement ou en se soudant de la manière représentée en particulier sur les figures 2 à 4. Les cotes des corps formant la couche peuvent être déterminées par choix convenable des cotes des particules  particles allow to vary in a known manner the 1.0. time spent by these particles in the gas stream and therefore their heating and softening. The metal particles deform according to their softening and impact velocity on the substrate and they fit on the latter and at their points of mutual contact by mutually interfering or welding as shown in particular in FIGS. 2 to 4. The dimensions of the bodies forming the layer may be determined by a suitable choice of particle sizes

métalliques de telle manière qu'elles correspondent à l'or-  in such a way that they correspond to the

dre de grandeur de l'épaisseur de la couche limite dont les valeurs sont indiquées sur le tableau I. La matière première utilisée est avantageusement formée de particules métalliques de forme sphérique dont les diamètres d sont  thickness of the boundary layer whose values are given in Table I. The raw material used is advantageously formed of spherical metal particles whose diameters d are

compris entre 30 et 150 lim.between 30 and 150 lim.

La figure 5 représente schématiquement un dis-  Figure 5 schematically represents a dis-

positif 20 pour la mise en oeuvre du procédé modifié de  positive for the implementation of the modified method of

projection de poudre à la flamme.projection of powder to the flame.

Le gaz combustible et l'oxygène pénètrent dans  The combustible gas and the oxygen penetrate into

le dispositif par des admissions 21 et 22. Le mélange pas-  the device by admissions 21 and 22. The mixture not-

se par un ajutage annulaire 23, puis brûle dans la flamme.  is by an annular nozzle 23, then burns in the flame.

Les gaz chauds de la flamme sont mélangés avec un gaz de  The hot gases of the flame are mixed with a gas of

refroidissement arrivant dans le dispositif par une admis-  cooling coming into the device by an admission

sion 24 et insufflé dans la flamme par un ajutage annulai-  24 and blown into the flame through an annular nozzle.

re extérieur 25, les gaz de la flamme étant ainsi refroi-  25, the gases of the flame being thus cooled

dis. Une partie du gaz de refroidissement assume également la fonction de vecteur de la poudre métallique introduite  say. Part of the cooling gas also assumes the function of vector of the metal powder introduced

dans le dispositif par une admission 26. La poudre se ré-  in the device by an admission 26. The powder is

partit dans le courant gazeux en fonction des conditions de la circulation de ce gaz et elle est transportée sur une cloison 27 constituant le substrat qu'elle atteint sur une surface pratiquement circulaire qui représente l'aire de projection. Cette aire est déplacée à la surface du  it starts in the gas stream according to the conditions of the circulation of this gas and is transported on a partition 27 constituting the substrate it reaches on a substantially circular surface which represents the projection area. This area is shifted to the surface of

substrat de manière à former le dépôt d'une couche plane.  substrate so as to form the deposition of a plane layer.

La vitesse relative du substrat perpendiculairement au jet représente une grandeur d'influence sur la qualité de la couche. Lorsque la vitesse relative est trop faible, le temps pendant lequel la couche déposée passe dans le Jet est trop long et les particules métalliques fondent en formant une couche relativement homogène dont les corps n'ont pas de forme et dont les points de germination de bulles ne sont pas en nombre suffisamment grand. Lors du dépôt de la couche, une certaine relation lie la vitesse relative, l'épaisseur de la couche et le débit de poudre par l'ajutage de projection. Par ailleurs, les courants gazeux en amont de l'ajutage de projection et la distance entre ajutace et substrat, qui détermine avec le courant gazeux en aval de l'ajutage le temps que les particules  The relative speed of the substrate perpendicular to the jet represents a magnitude of influence on the quality of the layer. When the relative speed is too low, the time during which the deposited layer passes into the jet is too long and the metal particles melt to form a relatively homogeneous layer whose bodies have no shape and whose bubble germination points are not in sufficiently large numbers. When depositing the layer, a certain relationship links the relative velocity, layer thickness and powder flow through the projection nozzle. Furthermore, the gaseous currents upstream of the projection nozzle and the distance between ajutace and substrate, which determines with the gaseous stream downstream of the nozzle the time that the particles

métalliques passent dans ce courant gazeux, comme mention-  in this gaseous stream, as

né précédemment, sont essentiels pour la qualité de la  previously born, are essential for the quality of the

couche. La couche que l'on tente d'obtenir devant être pu-  layer. The layer we are trying to obtain must be

rement métallique, il est nécessaire que tous les gaz pas-  metal, it is necessary that all gases

sant par l'ajutage de projection donnent ensemble un bilan  the projection nozzle together give a balance sheet

stoechiométrique entre le gaz de combustion et l'oxygène.  stoichiometric between the flue gas and the oxygen.

Cette façon de procéder est la seule qui permet d'éviter de manière fiable les oxydations et autres modifications  This is the only way to reliably avoid oxidation and other modifications

chimiques des particules métalliques.  chemical metal particles.

Le gaz de combustible utilisé peut être par  The fuel gas used may be

exemple l'acétylène ou l'hydrogène et le gaz de refroi-  example, acetylene or hydrogen and the cooling gas

dissement peut être par exemple de l'air épuré et sec ou  dissement can be for example clean and dry air or

de l'azote. La matière utilisée pour les particules métal-  nitrogen. The material used for the metal particles

liques est de préférence le cuivre ou des alliages de cui-  is preferably copper or copper alloys.

vre. Mais il est possible aussi d'utiliser d'autres métaux,  fever. But it is also possible to use other metals,

par exemple le fer et les alliages de fer.  for example iron and iron alloys.

Au cours d'un essai, une couche telle que re-  During a test, a layer such as

présentée par exemple sur les figures 3 et 4 et formée de corps de cuivre a été déposée sur un tuyau de cuivre de 18 mm de diamètre extérieur. La capacité de transmission de chaleur q a a été mesurée lors de l'ébullition dans un appareil correspondant et plus particulièrement dans les  shown for example in Figures 3 and 4 and formed of copper body was deposited on a copper pipe of 18 mm outer diameter. The heat transmission capacity qa was measured during boiling in a corresponding apparatus and more particularly in the

conditions régnant dans les évaporateurs submergés à fais-  conditions prevailing in submerged evaporators to

* ceaux tubulaires de turbomachines frigorifiques à l'aide* tubular hoses of refrigerated turbomachines using

de l'agent réfrigérant.CF2Cl2 et à une température de va-  coolant.CF2Cl2 and at a temperature of

porisation de 00C.portion of 00C.

La figure 6 représente les capacités détermi-  Figure 6 shows the determin-

12o12o

nées de transmission de chaleur qa en fonction de l'éléva-  heat transmission qa as a function of the elevation

tion de température AT (voir courbe W), les capacités de transmission de chaleur mesurées sur des tubes à surface  AT temperature (see curve W), the heat transmission capacities measured on surface tubes

"lisse" (vot ocurbe Z.) tant aussi portées à titre de com-  "smooth" (voted ocurbe Z.) also worn as a

paraison sur ce graphique. Le tableau II ci-dessous indique dans un exemple numérique les débits des courants gazeux, de la poudre métallique ainsi que la distance correspondante de  parison on this graph. Table II below shows in a numerical example the flow rates of the gaseous currents, the metal powder and the corresponding distance of

projection et de plus la vitesse relative du substrat per-  projection and in addition the relative speed of the substrate

pendiculairement au jet pour un procédé de production  pendicular to the jet for a production process

d'une couche conforme à l'invention.  a layer according to the invention.

TABLEAU ITABLE I

6o t ( C) f (l) dA 9ût) ÈA Cpm) CF C].CF Cl (R114) 60 72 589 40  6o t (C) f (1) dA 9t) ΔA Cpm) CF C] .CF Cl (R114) 60 72 589 40

22 O 64 745 5122 O 64 745 51

CF2Cl2 (R12) 30 72 569 50CF2Cl2 (R12) 30 72 569 50

-30 65 732 59-30 65 732 59

CHF2C1 (R22) 20 68 672 53CHF2C1 (R22) 20 68 672 53

-40 59 877 64-40 59 877 64

CF3Br (R1331) -20 75 549 47CF3Br (R1331) -20 75,549 47

-60 68 655 54-60 68 655 54

CF3Cl (R13) -40 72 592 47CF3Cl (R13) -40 72 592 47

-80 65 734 54-80 65 734 54

13o13o

TABLEAU IITABLE II

Plage - Gaz combustible: acétylène C2H2 à 1 bar - Gaz oxydant: oxygène 02' à I bar - Gaz de refroidissement: air à 1 bar - Poudre: cuivre sphérique Distance de pulvérisation Vitesse relative  Range - Combustible gas: acetylene C2H2 at 1 bar - Oxidizing gas: oxygen 02 'at I bar - Cooling gas: air at 1 bar - Powder: spherical copper Spraying distance Relative speed

0,5-1,00.5-1.0

0,6-1,20.6-1.2

3,1-6,23.1 to 6.2

2,5-102,5-10

- 150- 150

-15-15

0,02-0,10.02-0.1

Avantageusement 0,74 (m3/h) 0,85 (m3/h) ,3 (m3/h) 3,0 (kg/h) -80 (Ulm) (cm) 0,05 (m/s)  Advantageously 0.74 (m3 / h) 0.85 (m3 / h), 3 (m3 / h) 3.0 (kg / h) -80 (Ulm) (cm) 0.05 (m / s)

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. - Surface d'ébullition d'échangeur de cha-  1. - Boiler exchanger boiling surface leur, se composant d'un substrat métallique sur Leauel est déposée une couche de métal, caractérisée en ce que la couche se compose de corps individuels métalliques qui sont en partie congigus et qui ont différentes fcrrmes et la couche est pratiquement exempte de canaux capillaires la traversant et de pores fermés, la profondeur des espaces subsistant entre les corps individuels et ouverts sur la surface d'ébullition correspondant en moyenne à plus de % de l'épaisseur de la couche, l'épaisseur de cette couche mesurée sur le relief le plus élevé étant comprise  a layer of metal consisting of a metallic substrate on Leauel is characterized in that the layer consists of individual metal bodies which are partly confined and which have different fcrrmes and the layer is substantially free of capillary channels. through and closed pores, the depth of spaces remaining between the individual bodies and open on the boiling surface corresponding on average to more than% of the thickness of the layer, the thickness of this layer measured on the most relief high understood entre 30 et 300 jim.between 30 and 300 jim. 2. - Surface d'ébullition selon la revendica-  2. - Boiling surface according to the claim tion 1, caractérisée en ce que la granulométrie de la ma-  1, characterized in that the particle size of the material tière première formant les corps individuels est comprise  first phase forming the individual bodies is included entre 30 et 150 kim.between 30 and 150 kim. 3. - Procédé de production d'une couche métal-  3. - Process for producing a metal layer lique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé  according to one of claims 1 and 2, characterized en ce qu'il consiste essentiellement à déposer les parti-  in that it consists essentially in depositing the cules formant les corps individuels sur le substrat par le procédé connu de projection de poudre à la flamme, à former un jet de particules de poudre métallique dans un courant accéléré, chauffé par combustion de deux gaz, dont la température est abaissée par un gaz de refroidissement et dont le bilan massique de tous les courants partiels qui l'ont créé comprend en rapport stoechiométrique le gaz de combustion et l'oxygène, les particules de la poudre de métal projetée étant ainsi chauffées par le courant gazeux,  forming the individual bodies on the substrate by the known method of flame powder spraying, to form a jet of metal powder particles in an accelerated current, heated by combustion of two gases, the temperature of which is lowered by a gas of cooling and whose mass balance of all the partial streams which created it comprises in stoichiometric ratio the combustion gas and the oxygen, the particles of the projected metal powder being thus heated by the gas stream, ramollies à la surface et transportées vers lé substrat.  softened on the surface and transported to the substrate. 4. - Procédé selon la revendication 3, carac-  4. - Process according to claim 3, characterized térisé en ce que la poudre métallique se compose de par-  in that the metal powder is composed of ticules de cuivre ayant une granulométrie comprise entre  copper particles having a particle size of between et 80 jim et le débit massique de cette poudre est com-  and 80 μm and the mass flow rate of this powder is pris entre 2,5 et 10 kg/h, le gaz de combustion utilisé est l'acétylène dont le débit volumigue est compris entre  taken between 2.5 and 10 kg / h, the combustion gas used is acetylene, the volumetric flow rate of which is between 0,5 et 1,0 m 3/h sous une pression de 1 bar et le gaz oxy-  0.5 and 1.0 m 3 / h at a pressure of 1 bar and the oxy- 15. dant utilisé est l'oxygène pur à un débit volumique compris entre 0,6 et 1,2 m3/h sous une pression de bar, le gaz  15. When used is pure oxygen at a volume flow rate between 0.6 and 1.2 m3 / h under a bar pressure, the gas de refroidissement utilisé étant de l'air à température am-  cooling system being air at ambient temperature biante dont le débit volumique est compris entre 3,1 et  biante with a volume flow of between 3.1 and 6,2 m /h sous une pression de 1 bar, la distance de pro-  6.2 m / h at a pressure of 1 bar, the pro- jection étant comprise entre 5 et 15 cm et la vitesse rela-  between 5 and 15 cm and the relative speed tive entre l'aire de projection et le substrat étant com-  between the projection area and the substrate being prise entre 0,C2 et 0,1 m/s.taken between 0, C2 and 0.1 m / s.