FR2520265A1 - Meche pour tube de chaleur - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE MECHE POUR UN TUBE DE CHALEUR ET SON PROCEDE DE FABRICATION. LA MECHE EST FORMEE PAR MISE EN SUSPENSION DE PARTICULES, TELLES QUE DES MICROSPHERES DE TITANE, DANS UNE SOLUTION DE LIANT, PAR DEPOT DE LA SUSPENSION SUR UNE PAROI INTERIEURE D'UN TUBE DE CHALEUR POUR FORMER UN REVETEMENT, PAR CHAUFFAGE DE LA PAROI REVETUE POUR FAIRE EVAPORER LE LIANT ET PAR CHAUFFAGE DE LA PAROI REVETUE A UNE TEMPERATURE ELEVEE POUR LIER PAR DIFFUSION LES PARTICULES LES UNES AVEC LES AUTRES ET AVEC LA PAROI; CETTE TECHNIQUE PERMET D'OBTENIR DES MECHES AYANT UNE DIMENSION DE PORES CONTROLEE, NOTAMMENT DES MECHES OBTENUES ASSURENT UN RETOUR EFFICACE DE FLUIDE CONDENSE VERS L'EVAPORATEUR D'UN TUBE DE CHALEUR ET AUGMENTENT LE TRANSFERT VERS ET DEPUIS LE TUBE DE CHALEUR.

Description

La présente invention concerne d'une façon générale une mèche pour tube de chaleur et elle a trait plus particulièrement la fabrication d'une telle mèche qui est liée à la paroi d'un tube de chaleur.
Des tubes de chaleur sont connus depuis de nombreuses annees et ont été utilisés de plus en plus ces dernières années pour transférer efficacement de la chaleur depuis une source jusqu'en un point d'utilisation qui peut parfois être éloigne de la source. Généralement un tube de chaleur comprend un évaporateur relié un condenseur par l'intermédiaire d'une zone de transition adiabatique.Un fluide de transfert est enferme dans le tube de chaleur et, quand de la chaleur est appliquée à ltévaporateur, le fluide de transfert est vaporisé et s'écoule par l'intermédiaire de la zone de transition jusqu'au condenseur partir duquel de la chaleur peut être extraite pour toute utilisation désirée. Après l'extraction de la chaleur, le fluide de transfert, alors à l'état liquide, revient du condenseur vers ltévaporateur.
On utilise couramment des mèches pour faciliter le retour du fluide liquefie de transfert de chaleur vers ltévaporateur par action capillaire. Des meches sont utiles en particulier quand l'orientation du tube de chaleur est telle que la gravité s'oppose au retour du fluide liquéfié. Dans d'autres situations, lorsque le tube de chaleur n'est pas maintenu dans une position fixe, comme par exemple sur un véhicule en mouvement, une meche est utile pour renvoyer le fluide de transfert de chaleur à l'évaporateur.
Dans le brevet U.S. n0 4 254.821, de la demanderesse, on décrit un appareil de dégivrage à tube de chaleur utilisable à bord d'un navire. Les tubes de chaleur décrits dans ce brevet comprennent des passages multiples pour assurer le retour, assisté par gravité, du fluide de transfert de chaleur vers l'évaporateur en dépit de mouvements de tangage et de roulis du navire et il est prévu également des mèches pour faciliter le retour du fluide. Les mèches décrites dans le brevet précité peuvent être d'une nature classique, en étant formées par exemple par un tamis métallique à mailles relativement fines ou par un métal fritté.En variante, les tubes de chaleur peuvent contenir une meche formée de microsphâres métalliques liée à la paroi intérieure de la zone d'évaporateur, des rainures ménagées dans la paroi de la zone de transition et recouvertes par une feuille, et des rainures ménagées dans la paroi de la zone de condenseur et recouvertes par un tamis. Cependant aucune indication n'est donnée dans ce brevet en ce qui concerne les dimensions des particules métalliques utilisées dans la mèche à microspheres ni une technique de fabrication d'une telle meche.
L'invention a pour but principal d'augmenter l'efficacité des tubes de chaleur par la fabrication de mèches perfectionnées pour de telles structures.
L'invention a également pour but de simplifier la fabrication de reèches pour tubes de chaleur.
L'invention a en outre pour but de fournir une mèche pour tubes de chaleur qui peut être réalisée avec des géométries complexes.
D'une façon générale, l'invention concerne la fabrication de mèches à particules liées sur les parois intérieures d'un tube de chaleur. Les particules sont liées entre elles et à la paroi du tube de chaleur. La liaison est établie en mettant d'abord en suspension les particules dans une solution de liant appropriée. La suspension est appliquée sur la paroi du tube de chaleur par des techniques classiques, par exemple à l'aide d'une brosse, par pulvérisation ou par enduction, et la paroi revêtue est d'abord chauffée à une température relativement basse pendant une courte période pour éliminer le liant. La paroi revêtue peut ensuite être chauffée à une température relativement élevée de manibre à fixer les particules entre elles et sur la surface.
On peut utiliser différentes matières et établir des dimensions optimales de pores, pour une action capillaire sur le fluide de transfert, par un choix-correct des dimensions de particules. Les particules peuvent être revêtues de matières ayant un point de fusion plus faible que celui des particules proprement dites afin de permettre un brasage des particules pendant la liaison à haute température. L'échauffement et la liaison peuvent être réali sés dans un environnement non oxydant tel qu'un vide ou une atmosphère inerte et la liaison peut être améliorée par pressurisation.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limistatif, en référence au dessin annexe dans lequel
La figure 1 est une reproduction photographique d'une micrographie d'une moche pour tubes de chaleur à particules liées qui a été réalisée conformément à la présente invention, et
La figure 2 est un agrandissement de 400 fois de la structure de la figure 1.
Sur la figure 1, on a représenté en coupe une partie d'une paroi d'un tube de chaleur en acier doux sur laquelle des microsphàres d'acier inoxydable ont été liées par diffusion. Bien qu'on ait représenté une partie de surface plane, la géométrie de la paroi du tube de chaleur, et par conséquent de la mèche, peut être complexe et comprendre notamment des coins ou des parties incurvées, comme cela est fréquemment nécessaire dans des évaporateurs, des zones de transition et des condenseurs.
L'épaisseur de paroi du tube de chaleur n'est pas critique et elle peut typiquement être comprise entre environ 0,8 et 6,4 mm et les microspheres peuvent avoir des diametres compris entre environ 0,15 et 0,04 mm. Les dimen, sions et la répartition des inicrospheres déterminent évidemment les dimensions et la répartition des pores qui ont pour fonction d'engendrer l'action capillaire nécessaire de la meche sur le fluide de transfert. Une structure préférée comprend une paroi ayant une épaisseur d'environ 1,5 mm et contenant des microsphàres de 0,15 inm de diamètre qui forment une meche ayant une épaisseur comprise entre environ 1 et 1,25 mn.
Avant l'application des microsphères, on doit soigneusement nettoyer le tube de chaleur de même que les microsphàres. De plus si on utilise du titane pour former la paroi et/ou les microspheres, il est souhaitable d'enlever tous les oxydes superficiels pour obtenir une liaison sûre par diffusion.
Du fait que les oxydes de titane ont tendance à être très tenaces, on utilise un décapage à l'acide pour réduire lesdits oxydes. On peut utiliser les acides tels que l'acide nitrique ou l'acide fluorhydrique et les matieres décapées peuvent ensuite être stockées dans un milieu approprié, tel que du méthanol, pour empêcher une reformation de l'oxyde superficiel avant l'utilisation des matières.
Le procédé préféré de fabrication de la meche consiste d'abords mettre en suspension les microspheres dans une solution de liant approprié, telle que du N, N-diméthyl-acétamide et/ou de la méthyl-cellulose. La suspension de liant et de particules est déposée à la brosse sur la paroi du tube de chaleur et la paroi revêtue est chauffée dans un four à vide à une température relativement basse d'environ 400'C et sous une pression d'environ 6 x 1"'6 torr, pendant quelques minutes afin de faire évaporer le liant tout en maintenant l'intégrité du revêtement.La surface revêtue est ensuite chauffée sous vide à une température relativement élevée (au-dessus de la température de service du tube de chaleur) jusqu'à ce qu'une liaison par diffusion soit établie entre les particules entre elles et entre les particules et la paroi du tube de chaleur. Une température appropriée pour la liaison des microspheres d'acier inoxydable les unes avec les autres et sur une paroi en acier doux d'un tube de chaleur ou bien pour la liaison de microspheres de titane les unes avec les autres et sur une paroi en titane d'un tube de chaleur, est d'environ 7200 + 50'C et un temps de chauffage typique est d'environ deux heures. La liaison des microspheres d'acier inoxydable les unes avec les autres est clairement mise en évidence sur la figure 2.
Du fait que, dans ce mode préféré de réalisation, les microspheres sont liées par diffusion métal-contre-métal les unes avec les autres et avec la paroi du tube de chaleur, on élimine les résistances thermiques de contact et on obtient un rapport élevé de transmission surfacique de chaleur par unité de volume. La nature aléatoire de la liaison des particules fait en sorte que des trajets d'écoulement non laminaire de liquide soient établis pour favoriser la transmission de chaleur. Il en résulte que les flux thermiques admissibles dans l'évaporateur et dans le condenseur sont considérablement augmentés.
D'une façon générale lors du fonctionnement de tubes de chaleur, il est souhaitable d'isoler l'écoulement de liquide par rapport au contre-écoulement de vapeur. L'écoulement de vapeur s'effectuant de l'évaporateur vers le condenseur se produit principalement dans le volume central ouvert de la zone de transition adiabatique et l'écoulement de liquide en retour du condenseur vers l'évaporateur suit la mèche. Du fait que les particules de la mèche à particules liées ont tendance à retenir le liquide à proximité de l'interface entre les particules et la paroi, on réduit au minimum les obstructions par le contre-ecoulement central de vapeur. Le liquide et la vapeur sont par conséquent efficacement séparés et la hauteur maximale de fonctionnement avec retour correct du liquide est augmentée.
Pour certaines applications, il peut être nécessaire de fabriquer une mèche ayant une épaisseur supérieure à ce qui pourrait être obtenu avec une seule couche ou bien une mèche comportant une couche extérieure de particules ayant des dimensions et/ou une forme différentes de celles du revêtement initial. Par exemple une mèche dont 1 couche extérieure contient de plus fines particules que celles de la rJuche intérieure peut contribuer à minimiser les entraves s'établissant entre le contre-écoulement central de fluide vaporisé dans le tube de chaleur et l'écoulement de liquide s'effectuant du condenseur vers l'évaporateur.La couche extérieure de telles mèches peut être produite en répétant les étapes de dépôt, d'evaporation de liant et de liaison par diffusion aussitôt que la couche intérieure liée par diffusion a été refroidie. (De préférence le refroidissement de la cour intérieure est accéléré en effectuant un rétro-remplissage du four à vide par un gaz inerte tel que de l'hélium afin d'éviter la formation d'oxydes sur la surface de la couche intérieure et minimiser le temps de traitement).
Bien que le mode préféré de réalisation fasse intervenir un tube de chaleur en acier doux sur lequel sont liées par diffusion des microsphères d'acier inoxydable, les microsphères étant également liées par diffusion les unes avec les autres, il va de soi qu'on peut utiliser d'autres matières et formes. Par exemple, le tube de chaleur peut être constitué de toute autre matière que l'acier doux. En fonction de l'application, de la température de fonctionnement et d'autres facteurs, le tube de chaleur peut être composé de titane, de molybdène, de niobium, de cuivre ou d'autres matériaux. Egalement on peut utiliser pour la mèche une diversité de métaux et on peut employer des particules ayant des formes différentes et autres que sphériques.La granulométrie des particules peut également varier, des particules fines étant généralement préférées pour des températures plus élevées de fonctionnement du tube de chaleur.
Le liant qui est utilisé n'a pas besoin d'être constitué par un des produits spécifiques mentionnés ci-dessus. Il est suffisant d'utiliser un liant pouvant brûler proprement et qui assure une adhésion appropriée des particules les unes avec les autres tout en les maintenant en place sur la paroi en cours de traitement, ce liant pouvant être éliminé par brûlage en ne laissant aucun résidu contaminant.
Une- liaison par diffusion véritable où il se produit un transfert d'électrons entre une particule et la paroi ainsi qu'entre une particule et une autre est préférable à cause des avantages obtenus par un grand rapport de transmission surfacique de chaleur par unité de volume, l'élimination des résistances thermiques par contact et les trajets d'écoulement non laminaire de liquide au travers de la matrice de particules qui améliorent la transmission de chaleur. Cependant dans certaines circonstances, un brasage permet d'obtenir une moche fonctionnant de façon correcte. Le brasage est effectué par exemple en revêtant les particules d'une matière ayant un point de fusion inférieur à celui des particules avant que le processus soit amorcé. Le brasage s'effectue alors pendant l'étape du processus faisant intervenir une température élevée. Par exemple des microsphères de cuivre peuvent être saupoudrées d'une poudre de brasage contenant 72% d'argent et le complément de cuivre, cette poudre pouvant ensuite être brasée sur une paroi d'un tube de chaleur approprié à une température d'environ 800du.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une mèche pour un tube de chaleur, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à mettre en suspension des particules métalliques dans un liant pouvant être brûlé proprement, à appliquer la suspension de particules et de liant sur la paroi du tube de chaleur pour former un revêtement sur cette paroi, à chauffer dans une atmosphbre non oxydante la paroi revêtue à une température relativement basse et pendant une première période de temps suffisante pour éliminer le liant et faire adhérer les particules sur la paroi, à chauffer dans une åtmosphdre non oxydante ladite paroi revêtue à une température relativement élevée et supérieure à la température de fonctionnement du tube de chaleur, et pendant une seconde période de temps suffisante pour lier les particules les unes avec les autres et avec ladite paroi pour former ladite mèche.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite paroi du tube de chaleur est composée d'acier doux et que lesdites particules sont composées d'acier inoxydable.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la paroi du tube de chaleur et les microsphères sont composées de titane.
4, Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les particules se présentent sous la forme de microsphères ayant une granulométrie comprise entre 0,15 et 0,04 mm.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites particules sont liées par diffusion les unes avec les autres et avec ladite paroi.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite paroi et lesdites particules sont composées de titane, lesdites particules et ladite paroi étant décapées à l'acide pour enlever des oxydes superficiels avant la mise en suspension dans ledit liant.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérise par le fait que lesdites étapes consistant à déposer la suspension de particules et de liant sur ladite paroi, à chauffer ladite paroi revêtue à une température relativement basse et à chauffer ladite paroi revêtue à une température relativement haute sont répétées pour augmenter l'épaisseur de ladite mèche.
8. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite températuré relativement basse est approximativement de 4000C et que ladite température relativement haute est approximativement de 1.200C.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites particules sont revêtues électrolytiquement d'un métal ayant un point de fusion inférieur à celui des particules avant la mise en suspension desdites particules dans ledit liant.
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape de chauffage de la paroi revêtue à une température relativement élevée est effectuée dans un environnement se trouvant à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
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