FR3025303A1

FR3025303A1 - Echangeur thermique a fluide a recirculation, dit a ecope, en presentation en plaqes

Info

Publication number: FR3025303A1
Application number: FR1401951A
Authority: FR
Inventors: Bernard Etcheparre
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-03-04
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: FR3025303B1

Abstract

Le domaine du dispositif de la présente invention est celui des échangeurs thermiques à fluide. Le dispositif selon l'invention, s'appuie sur le principe des échangeurs thermiques à recirculation, dits à écopes, et en fait une présentation en plaque qui introduit un certain nombre de particularités qui enrichissent fortement la présentation classique tubulaire et ouvre l'utilisation du principe à de nombreuses autres applications. Le dispositif selon l'invention a une portée générale et peut être utile pour des applications industrielles, scientifiques ou domestiques. Il est de nature à changer la manière d'envisager les dispositifs d'échange thermique connus chaque fois qu'il s'agit de gagner en rendement d'échange, en compacité et en coût. On peut l'envisager, sans limitation, dans des applications aussi répandues que celle des chaudières industrielles ou domestiques ou de radiateur par convection ou radiation, voire de dispositifs de climatisation, ou comme « Média » dans des utilisations aussi courante que celle des échangeurs de voiture ou de tout autre véhicule ou encore dans des applications aussi complexes que celle du domaine nucléaire, aéronautique, pétrole & gaz, chimie, électriques ou électroniques. Il permet d'envisager de créer de nouvelles applications touchant généralement le domaine de l'environnement et de la création d'énergie renouvelable.

Description

-1- Le domaine du dispositif de la présente invention est celui des échangeurs thermiques à fluide. Le dispositif selon l'invention s'appuie sur le principe de fonctionnement des échangeurs à recirculation dits à écopes et en apporte une présentation nouvelle qui permet d'en élargir le champ d'application. On connait le principe des échangeurs thermiques à fluide à recirculation qui favorisent le transfert thermique avec une grande efficacité entre le fluide qui circule dans un conduit et dont on veut faire changer la température, à partir de celle de son environnement. L'idée maîtresse de ce principe consiste à utiliser une partie de l'énergie donnée au flux principal d'un fluide, qui lui permet de pénétrer dans un conduit et qui lui assure 15 sa propagation, pour l'entrainer à provoquer et établir une recirculation d'une partie du flux principal par des con- duits de déviation et en conséquence, dans le mouvement circulaire qui s'établit, faire en sorte que le flux partiel prélevé et entrainé dans ces conduits de déviation soit en 20 permanence soumis aux conditions d'échange thermique du mi- lieu extérieur et qu'en permanence, à chaque retour après mélange avec le flux principal, il change la température d'équilibre du flux principal. On peut dire que les conduits de déviations se comportent comme des écopes qui à chaque 25 passage et en continu apportent un effet thermique complémentaire modifiant l'état du flux principal jusqu'à atteindre un équilibre. Les fluides peuvent se présenter sous forme liquide ou sous forme gazeuse. Pour assurer l'aspiration provoquant la recirculation, 30 on profite de l'effet venturi qui s'établit lorsque le flux principal pénètre dans le conduit principal et qui est dû à la géométrie particulière des canalisations du canal d'entrée. 3025303 -2- L'état de la technique apporté par le principe des échangeurs à recirculation, dits à écopes, peut être améliorée à partir du moment où l'on désire l'utiliser dans la forme d'échangeurs à plaque. La présentation traditionnelle 5 sous forme tubulaire a plusieurs inconvénients en particulier son coût et son encombrement mais aussi le niveau de pertes de charges induites et surtout la difficulté d'homogénéiser le transfert de chaleur dès qu'on dispose plusieurs éléments en parallèle, les conditions 10 d'environnement thermique n'étant pas généralement homogènes. Le dispositif selon l'invention répond efficacement à ces difficultés par le fait qu'une présentation en plaque apporte énormément en simplicité de fabrication et en coût mais surtout en particulier, par le fait que la disposition selon l'invention permet à chaque conduits principaux, dès lors que l'on en dispose plusieurs en parallèle de partager les conduits de recirculations contigiles mettant ainsi en communication l'ensemble des conduits principaux adjacents et entrainant ainsi une homogénéisation thermique très efficace des flux principaux qui circulent. Le dispositif selon l'invention dispose entre deux plaques (11) de matériaux aux bonnes propriétés de conduction thermique, des parois verticales (12) mises en forme, recréant des groupes de conduits internes. Le cheminement de ces conduits internes selon l'invention reproduit les conditions de fonctionnement d'un ou plusieurs échangeurs à recirculation. Le dispositif selon l'invention présente d'une manière 30 répétitive en parallèle et/ou en série des groupes de conduits internes semblables ou adaptées en longueur et en taille qui possèdent tous : 3025303 -3- - un canal d'entrée (1) dont le profil se rétracte (2) et s'évase (convergent/divergent) et qui débouche dans un conduit principal(3) - un conduit principal (3) de taille et de longueur 5 adaptée qui débouche en son extrémité (10), directement ou par un collecteur, soit sur une évacuation des flux de fluide qui y circulent, soit sur un nouveau canal d'entrée, si le dispositif est présenté en série. - deux conduits de déviation (6) placés de part et 10 d'autre du conduit principal, qui relient l'extrémité du conduit principal (aval)(7) à son entrée (amont)(8). L'orifice du conduit de déviation placé en aval du conduit principal est l'entrée de la déviation, l'orifice placé en amont qui débouche en sortie du convergent du canal d'entrée 15 dans le conduit principal, est sa sortie. Lorsque se présente un fluide principal, liquide ou gazeux, à l'orifice du canal d'entrée sous l'action d'une pression ou d'une dépression, du fait de la géométrie convergente/divergente (4) du canal d'entrée, il y a apparition 20 d'un effet venturi en périphérie et en entrée du conduit principal (5) à l'éjection du flux principal du fluide. L'effet venturi provoque une aspiration à la sortie de la déviation (amont) et crée donc une circulation permanente dans les conduits de déviation (6) d'une partie du flux 25 principal du fluide dans le sens aval vers amont, qui se maintient tant que l'effet venturi est présent. La littérature et l'expérience montre que si les conditions géométriques du convergent/divergent sont bien respectées l'effet venturi peut provoquer le retour d'au moins 30% du flux principal. Une ou les deux plaques du dispositif selon l'invention sont placées dans un environnement thermique extérieur (9) ouvert ou clos, ou proche ou directement en contact avec un générateur thermique qui entretient une température 3025303 -4- d'environnement qui sera la température source de l'échange. L'échange peut se faire par convection, par rayonnement ou par impact. Les conduits de déviations du dispositif selon 5 l'invention sont immergés dans l'environnement thermique ou en son contact et sont en permanence soumis aux conditions d'échange de telle sorte que le flux de déviation qui y circule change d'état thermique à sa sortie. Le flux qui retourne par les conduits de déviation est 10 mélangé à sa sortie au flux principal, dans l'entrée du conduit principal, et l'ensemble repart dans le conduit principal. En se mélangeant, les deux flux combinent leur état thermique selon les lois physiques bien connues entrainant un changement d'état thermique du flux principal.

15 Le dispositif selon l'invention modifie à chaque retour et en continu l'état thermique du flux principal jusqu'à atteindre un équilibre au bout d'un certain temps qui dépend de la puissance de l'environnement thermique (9) dans lequel est placé le dit dispositif.

20 Afin d'améliorer le mélange du flux principal et des flux de retour des conduits de déviation, le dispositif selon l'invention peut disposer dans l'axe du conduit principal de parois (13) jouant le rôle de déflecteurs projetant, par exemple et sans limitation de principe, dans un premier 25 temps le flux principal vers sa périphérie où il rencontre les flux de retour des conduits de déviation et s'y mélange et dans un second temps ramenant l'ensemble dans l'axe du conduit principal. Une première particularité selon l'invention est que 30 dans une présentation de groupes de conduits internes disposés en parallèle entre deux plaques Fig.3, les conduits principaux adjacents (3) partagent les conduits de déviation (6) qui leur sont contigües et qui deviennent communs. Outre la conséquence de simplifier la réalisation de l'ensemble, 3025303 -5- cette particularité selon l'invention entraine qu'à l'entrée du conduit de déviation commun (7) l'état thermique des conduits principaux adjacents se mélange dans le mouvement de retour. Il en résulte en cascade une mise en communication 5 de tous les conduits principaux et de ce fait une homogénéisation de l'état thermique des flux principaux qui circulent. Une seconde particularité selon l'invention est que la plaque supérieure d'un groupe de conduits internes, disposés 10 en parallèle, peut servir de plaque inférieure à un groupe de conduits interne similaires ou adaptés en longueur ou en taille, généralement orientés à 90° du sens de parcours de l'ensemble inférieur et clos lui-même par une plaque supérieure. On peut superposer ainsi autant de fois qu'il est né- 15 cessaire cette disposition en alternant les sens de par- cours. Cette présentation est celle bien connue d'un « Média » Fig.4, qui permet de faire l'échange thermique croisé de deux flux de fluides de nature, pression et de températures différentes.

20 Une autre particularité selon l'invention est qu'une présentation de groupes de conduits internes disposés en parallèle entre deux plaques, peut être reproduite en série autant de fois qu'il est nécessaire avec des groupes similaires ou adaptées en longueur ou en taille qui sont placés 25 dans le même environnement thermique extérieur ou dans des environnements différents afin de créer une cascade d'échange permettant d'amplifier par accumulation des effets, le changement thermique du flux principal. La sortie des conduits principaux devenant l'entrée des conduits suc- 30 cessifs. Une autre particularité selon l'invention, est que l'on peut superposer des groupes de conduits internes, sem- blables, disposés en série, autant de fois qu'il est nécessaire, et que l'empilage obtenu, Fig.5, permet de pouvoir 3025303 -6- mettre en communication les conduits de recirculation inférieurs et supérieurs, homologues (6), à travers des perçages, évidements ou tout autre dispositif. La conséquence de cette mise en communication, selon l'invention, est 5 d'homogénéiser les pressions et les températures des flux qui circulent en retour dans les conduits de recirculation homologues et de rendre homogène l'ensemble des états des conduits principaux. Dans cette présentation, Fig.6, on aura avantage à privilé- 10 gier l'apport de l'environnement thermique, au contact des flancs (14) de la surface constituée par l'empilage, et si possible de part et d'autre. Une autre particularité selon l'invention est de pouvoir disposer les conduits de déviation, non plus latérale-15 ment aux circuits principaux mais en dessus et/ou en dessous des plaques inférieures ou supérieures par l'intermédiaire d'une chambre de recirculation (6) Fig.7 les orifices placé en aval (7) et ceux placés en amont (8) débouchent et communiquent dans la chambre qui fait office de conduit de dévia- 20 tion commun pour tous les flux de déviation des conduits principaux adjacents. Dans cette présentation, on aura avantage à privilégier l'apport de l'environnement thermique, au contact de la surface extérieure des chambres (15) et si possible de part et d'autre.

25 Dans une autre présentation, une des particularités de l'invention est de pouvoir permettre la réalisation d'un ensemble cylindrique ou de révolution particulière à partir de plaques courbes pouvant ainsi constituer un four, soit avec des conduits de déviations latéraux Fig.8, tous les conduits 30 de recirculations étant communs aux conduits principaux adjacents, ou soit avec des conduits de déviation passant par une chambre inférieure et/ou supérieure commune, cylindrique ou de révolution particulière, (6) Fig.9. Cette présentation 3025303 -7- autorise l'assemblage d'éléments semblables, en série et en concentricité interne ou externe. Une autre particularité selon l'invention, dans une autre présentation, réside en ce que la distance entre deux 5 plaques (11), Fig. 10, peut être supérieure ou largement supérieure à la largeur du conduit principal. Dans cette présentation, les parois verticales (12) mise en forme et créant la géométrie des conduits internes, prennent de grandes dimensions relatives et on aura avantage à privilé10 gier l'apport de l'environnement thermique, au contact de la surface externe des parois verticales (14) et si possible de part et d'autre. Dans cette présentation, les parois verticales, généralement rectilignes peuvent être courbes et à la limite, suivre un profil de révolution complet, cylindrique 15 ou particulier pouvant ainsi constituer un four, Fig.11. Cette présentation autorise l'assemblage d'éléments semblables, en parallèle, et/ou en série et en dans le cas de présentation cylindrique ou de révolution particulière : en concentricité interne ou externe avec, ou non, mise en commun 20 des chambres de déviation contiguës. Dans toutes les présentations, selon l'invention, le flux qui circule dans un conduit principal est le même que celui qui circule dans les conduits disposés en série et qui sont en continuité, mais il peut être différent en nature, pression, 25 température, et sens de parcours, pour tous les autres conduits principaux adjacents qui ne partagent pas le ou les conduits ou chambres de déviation contiguës. Dans toutes les présentations, la réalisation des parois verticales mises en forme, créant la géométrie des con- 30 duits internes d'un groupe peut se faire de multiples ma- nières avec des matières identiques à celles des plaques ou différentes et sans limitation : soit par apport d'inserts liés par soudure ou brasage ou collage ou tout autre système de liaison, soit par usinage, soit par impression 3D ou 3025303 -8- par usinage laser, soit même directement par collage ou soudure ou brasure des plaques , utilisant généralement la sérigraphie ou sans limitation, la soudure laser, ou par électron ou par ultrason, l'épaisseur de la colle ou des liaisons 5 entre les plaques, respectant la géométrie de la mise en forme, faisant la fonction de parois. Ces dernières techniques étant utiles en particulier pour la réalisation de micro échangeurs voire de nano échangeurs. Une dernière particularité selon l'invention et de pou-10 voir utiliser des tissus souples étanches ou plus ou moins poreux ou de matières en nappe souples fibreuses ou non, en lieu et place de plaques planes ou courbées. Le dispositif selon l'invention a une portée générale et peut être utile pour des applications industrielles, 15 scientifiques ou domestiques. Il est de nature à changer la manière d'envisager les dispositifs d'échange thermique connus chaque fois qu'il s'agit de gagner en rendement d'échange, en compacité et en coût. On peut l'envisager, sans limitation, dans des applications aussi répandues que 20 celles des chaudières industrielles ou domestiques ou de radiateur par convection ou radiation, voire de dispositifs de climatisation, ou comme « Média » dans des utilisations aussi courantes que celles des échangeurs de voiture ou de tout autre véhicule ou encore dans des applications aussi com- 25 plexes que celles du domaine nucléaire, aéronautique, pétrole & gaz, chimie, électriques ou électroniques. Il permet d'envisager de créer de nouvelles applications touchant généralement le domaine de l'environnement et de la création d'énergie renouvelable. 30

Claims

REVENDICATIONS1) Dispositif d'échangeur thermique à fluide à recirculation présenté sous forme de plaque, caractérisé en ce qu'il dispose entre deux plaques (11) planes ou courbées, de matériaux aux bonnes propriétés de conduction thermique, des parois verticales (12) mises en forme, créant des groupes de conduits internes d'une manière répétitive en parallèle et/ou en série, semblables ou adaptées en longueur et en taille qui possèdent tous : - un canal d'entrée (1) dont le profil se rétracte (2) et s'évase (convergent/divergent) et qui débouche dans un conduit principal(3) - un conduit principal de taille et de longueur adaptée 15 qui débouche en son extrémité (10), directement ou par un collecteur, soit sur une évacuation, soit sur un nouveau canal d'entrée, si le dispositif est présenté en série - deux conduits de déviation (6) placés de part et d'autre du conduit principal, qui relient l'extrémité du 20 conduit principal (aval)(7) à son entrée (amont)(8). L'orifice du conduit de déviation placé en aval du conduit principal est l'entrée de la déviation, l'orifice placé en amont qui débouche en sortie du convergent du canal d'entrée dans le conduit principal, est sa sortie. 25
2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la mise en forme des parois et le cheminement de ces conduits internes selon l'invention reproduit les conditions de fonctionnement d'un ou plusieurs échangeurs à recir- culation qui, lorsque se présente un fluide principal, 30 liquide ou gazeux, à l'orifice du ou d'un canal d'entrée sous l'action d'une pression ou d'une dépression, du fait de la géométrie convergente/divergente (4) du canal d'entrée, provoque l'apparition d'un effet venturi en sortie du convergent et en entrée du conduit principal (5) à l'éjection 3025303 -10- du flux principal du fluide. L'effet venturi crée une aspiration à la sortie de la déviation (amont)(8) et établit donc une circulation permanente dans les conduits de déviation (6) d'une partie du flux principal du fluide dans le 5 sens aval vers amont, qui se maintient tant que l'effet venturi est présent.
3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 caracté- risé par le fait que si une ou les deux plaques du dispositif selon l'invention sont placées, dans ou au contact, d' un en- 10 vironnement thermique extérieur (9), le flux qui circule dans les conduits de déviation (6) change d'état thermique à chaque retour en modifiant l'état thermique du flux principal quand ils se mélangent, jusqu'à atteindre dans le temps, un équilibre, qui dépend de la puissance thermique apportée par l'environnement (9).
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il peut disposer dans l'axe du conduit principal d'une ou plusieurs grilles de parois orientées jouant le rôle de déflecteurs (13) projetant dans un premier temps le flux principal vers sa périphérie où il rencontre les flux de retour des conduits de déviation et s'y mélange et dans un second temps, ramenant l'ensemble des flux dans l'axe du conduit principal.
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendica25 tions précédentes caractérisé par le fait que dans une pré- sentation de groupes de conduits internes, disposés en parallèle entre deux plaques, les conduits principaux adjacents partagent les conduits de déviation (6) qui leur sont contigUes. 30
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que la plaque supérieure d'un groupe de conduits internes, peut servir de plaque inférieure à un groupe de conduits interne similaires ou adaptés en longueur ou en taille, orientés à 90° du sens de parcours 3025303 -11- de l'ensemble inférieur et clos lui-même par une plaque supérieure de telle manière que l'on puisse superposer ainsi autant de fois qu'il est nécessaire cette disposition.
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendica5 tions précédentes caractérisé par le fait qu'une présentation de groupes de conduits internes disposés en parallèle entre deux plaques, peut être reproduite en série autant de fois qu'il est nécessaire. La sortie des conduits principaux devenant l'entrée des conduits successifs. 10
8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que dans une présentation de groupes de conduits internes disposés en série et superposés entre eux, l'empilage obtenu, permet de pouvoir mettre en communication les conduits de déviation inférieurs et supé- 15 rieurs, homologues (6), à travers des perçages, ou évidements.
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que l'on peut disposer les conduits de déviation, non plus latéralement aux circuits 20 principaux mais en dessus et/ou en dessous des plaques infé- rieures ou supérieures, par l'intermédiaire d'une chambre de recirculation (6),les orifices placé en aval (7) et ceux placés en amont (8) débouchent et communiquent dans la chambre qui fait office de conduit de déviation commun pour tous les flux de déviation des conduits principaux adjacents.
10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait de pouvoir permettre la réalisation d'un ensemble cylindrique ou de révolutions particulières à partir de plaques courbes pouvant ainsi constituer un four, soit avec des conduits de déviations latéraux, tous les conduits de déviation étant communs aux conduits principaux adjacents, ou soit avec des conduits de déviation passant par une chambre inférieure et/ou supérieure commune cylindrique ou de révolutions particulières (6). 3025303 -12-
11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que la distance entre deux plaques (11), peut être supérieure ou largement supérieure à la largeur du conduit principal. 5
12) Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes caractérisé par le fait que les parois verticales (12), peuvent être courbes et à la limite, suivre un profil de révolution complet, cylindrique ou particulier, pouvant ainsi constituer un four. Cette présentation autorise 10 l'assemblage d'éléments semblables, en parallèle, et/ou en série. (13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le flux qui circule dans un conduit principal peut être différent, en na- 15 ture, pression, température, et sens de parcours, de celui des conduits principaux adjacents qui ne partagent pas le ou les conduits ou chambres de déviation contiguës. (14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que dans toutes les 20 présentations, la réalisation des parois verticales mises en forme, créant les conduits internes d'un groupe peut se faire avec des matières identiques ou différentes à celle des plaques : soit par usinage mécanique ou laser ou par impression 3D, soit par apport d'inserts, liés par soudure ou bra- 25 sage ou collage, soit même directement par collage ou soudure ou brasure des plaques entre elles, de telle sorte que l'épaisseur de la colle ou des liaisons entre les plaques, fasse office de parois. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendica30 tions précédentes caractérisé par le fait de pouvoir utiliser des tissus souples plus ou moins poreux ou de matières en nappe souples fibreuses ou non, en lieu et place de plaques planes ou courbées.