FR2930982A1 - THERMAL HEAT EXCHANGER WITH HOLLOW THREADS - Google Patents
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Abstract
Description
Échangeur thermique à fils creux tissés 5 Domaine technique de l'invention Woven hollow heat exchanger 5 Technical field of the invention
L'invention est relative à un échangeur thermique comportant des moyens de circulation d'au moins un fluide primaire, séparé par une paroi d'au moins un fluide secondaire. État de la technique The invention relates to a heat exchanger comprising means for circulating at least one primary fluid, separated by a wall of at least one secondary fluid. State of the art
Dans les échangeurs thermiques, il importe de réaliser, dans les meilleures 15 conditions, un échange thermique entre deux fluides sans les mélanger. Les deux fluides sont classiquement séparés par une paroi et s'écoulent de part et d'autre de cette paroi. Le flux thermique traverse la paroi séparant les deux fluides, réalisant ainsi un échange thermique par convection. Le premier fluide, appelé fluide primaire, est souvent liquide ou biphasique 20 (mélange gaz/liquide). Le fluide primaire, pouvant être chaud ou froid, est classiquement distribué par un réseau de tubes généralement équipé d'ailettes. Le second fluide, appelé fluide secondaire, peut être gazeux, liquide ou encore biphasique. In heat exchangers, it is important to achieve, under the best conditions, a heat exchange between two fluids without mixing them. The two fluids are conventionally separated by a wall and flow on either side of this wall. The heat flow passes through the wall separating the two fluids, thus achieving a convective heat exchange. The first fluid, called the primary fluid, is often liquid or biphasic (gas / liquid mixture). The primary fluid, which may be hot or cold, is conventionally distributed by a pipe network generally equipped with fins. The second fluid, called secondary fluid, can be gaseous, liquid or biphasic.
25 À chaque étape de l'échange thermique entre les fluides et la paroi, la puissance échangée dépend essentiellement de la surface de la paroi, du coefficient d'échange entre les fluides et cette même paroi, ainsi que de la différence de température entre les fluides primaire et secondaire. At each stage of the heat exchange between the fluids and the wall, the power exchanged depends essentially on the surface of the wall, the exchange coefficient between the fluids and the same wall, as well as the temperature difference between them. primary and secondary fluids.
30 Il existe des échangeurs thermiques de type batteries à ailettes. Comme illustré à la figure 1, ces échangeurs sont constitués de tubes 1, de 10 There are heat exchangers of the finned coil type. As illustrated in FIG. 1, these exchangers consist of tubes 1, 10
préférence en cuivre ou en acier, dans lesquels circule le fluide primaire (eau, fluide liquide/vapeur). Des ailettes 2 planes, en acier ou aluminium, sont serties ou soudées sur les tubes. Un fluide secondaire gazeux circule perpendiculairement aux tubes, le long des ailettes 2. Ce type d'échangeur constitue la forme la plus courante dans les applications industrielles ou la climatisation de locaux. preferably copper or steel, in which circulates the primary fluid (water, liquid fluid / steam). Flat fins 2, made of steel or aluminum, are crimped or welded onto the tubes. A gaseous secondary fluid circulates perpendicular to the tubes, along the fins 2. This type of exchanger is the most common form in industrial applications or air conditioning premises.
Les échangeurs thermiques de type batteries à ailettes présentent certaines limitations au niveau de leur efficacité. L'efficacité d'un échangeur peut être définie par le coefficient d'échange entre le fluide primaire et le fluide secondaire. Ce coefficient est variable selon la géométrie des ailettes et la conductivité thermique du fluide secondaire. Au niveau d'une ailette, le flux de chaleur est échangé avec le fluide secondaire au travers de l'ailette par conduction. Ce transfert par conduction génère une différence de température dans l'ailette et induit une perte d'efficacité de l'échangeur. The fin-type heat exchangers have some limitations in their efficiency. The efficiency of an exchanger can be defined by the exchange coefficient between the primary fluid and the secondary fluid. This coefficient is variable according to the geometry of the fins and the thermal conductivity of the secondary fluid. At the level of a fin, the heat flow is exchanged with the secondary fluid through the fin by conduction. This transfer by conduction generates a temperature difference in the fin and induces a loss of efficiency of the exchanger.
Objet de l'invention L'invention a pour but un échangeur thermique présentant un bon coefficient d'échange entre un fluide primaire et un fluide secondaire. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a heat exchanger having a good exchange coefficient between a primary fluid and a secondary fluid.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'échangeur comporte au moins un module élémentaire dans lequel les moyens de circulation du fluide primaire sont constitués par une pluralité de fils creux métallique tissés, chacun ayant un diamètre interne compris entre 0,5 et 1,5 mm. According to the invention, this object is achieved by the fact that the exchanger comprises at least one elementary module in which the means for circulating the primary fluid are constituted by a plurality of woven wire hollow wires, each having an internal diameter of between 0 , 5 and 1.5 mm.
Selon un mode de réalisation préférentiel, chaque module de l'échangeur 30 comporte un tissage bidirectionnel constitué par des fils de trame reliant des première et deuxième faces latérales opposées et des fils de chaîne reliant According to a preferred embodiment, each module of the exchanger 30 comprises a bidirectional weave constituted by weft threads connecting first and second opposite side faces and connecting warp threads.
des troisième et quatrième faces latérales opposées du module, l'échangeur comportant au moins un collecteur d'alimentation en fluide primaire connecté aux première et troisième faces latérales du module. Description sommaire des dessins third and fourth opposite side faces of the module, the exchanger having at least one primary fluid supply manifold connected to the first and third side faces of the module. Brief description of the drawings
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, i o donnés à titres d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : Other advantages and features will emerge more clearly from the following description of particular embodiments of the invention, given as non-limiting examples and shown in the accompanying drawings, in which:
La figure 1 illustre une vue en perspective d'un échangeur thermique selon l'art antérieur. 15 La figure 2 illustre schématiquement, en une vue de dessus, un module élémentaire d'un échangeur thermique selon l'invention. La figure 3 illustre une coupe selon A-A du module élémentaire selon la figure 2. Les figures 4 et 5 illustrent, en vue de dessus, deux variantes de réalisation 20 d'un module élémentaire d'un échangeur thermique selon l'invention. La figure 6 illustre, en coupe, un mode particulier de réalisation d'un échangeur thermique selon l'invention. Figure 1 illustrates a perspective view of a heat exchanger according to the prior art. FIG. 2 schematically illustrates, in a view from above, an elementary module of a heat exchanger according to the invention. FIG. 3 illustrates a section along A-A of the elementary module according to FIG. 2. FIGS. 4 and 5 illustrate, in plan view, two alternative embodiments of an elementary module of a heat exchanger according to the invention. FIG. 6 illustrates, in section, a particular embodiment of a heat exchanger according to the invention.
25 Description de modes particuliers de réalisation Description of particular embodiments
Un échangeur thermique est constitué par un assemblage comportant au moins un module élémentaire 3. Comme illustré aux figures 2 et 3, les moyens de circulation du fluide primaire de chaque module 3 sont constitués 30 par une pluralité de fils creux 4a, 4b métallique ayant chacun un diamètre interne compris entre 0,5 mm et 1,5 mm. Ces fils 4a, 4b sont tissés pour5 A heat exchanger is constituted by an assembly comprising at least one elementary module 3. As illustrated in FIGS. 2 and 3, the means for circulating the primary fluid of each module 3 consist of a plurality of hollow wires 4a, 4b each having an internal diameter of between 0.5 mm and 1.5 mm. These yarns 4a, 4b are woven for
constituer le module 3. Les fils creux jouent ainsi le rôle de microcanaux tubulaires, dans lesquels circule le fluide primaire. constitute the module 3. The hollow son and play the role of tubular microchannels, in which circulates the primary fluid.
Les fils tissés sont, de préférence, arrangés en fils de trame 4a et en fils de chaîne 4b, sensiblement perpendiculaires les uns aux autres. Ce tissage bidirectionnel permet d'obtenir un module 3 comportant quatre faces latérales, une première et une deuxième faces latérales opposées étant reliées par les fils de trames 4a, tandis qu'une troisième et une quatrième faces latérales opposées sont reliées par les fils de chaîne 4b. The woven yarns are preferably arranged in weft yarns 4a and warp yarns 4b, substantially perpendicular to one another. This bidirectional weave makes it possible to obtain a module 3 comprising four lateral faces, a first and a second opposite lateral face being connected by the weft yarns 4a, while a third and a fourth opposite lateral face are connected by the warp yarns. 4b.
Comme illustré à la figure 4, les première et troisième faces latérales du module 3 peuvent être reliées à un même collecteur d'alimentation 5 permettant la circulation du fluide primaire dans tous les fils creux 4a et 4b, tout en contrôlant la pression. Le collecteur d'alimentation 5 permet d'injecter le fluide primaire dans chaque fil creux 4a, 4b. L'intégration d'un tel collecteur dans un module 3 constitué par des fils de très petit diamètre permet la circulation du fluide primaire à très haute pression, par exemple jusqu'à 150 bars. La liaison entre les extrémités des fils 4a, 4b et le collecteur 5 est, de préférence, réalisée par brasage, assurant ainsi une stabilité de la tenue mécanique et des performances thermiques dans le temps très supérieure à celle des échangeurs de type batterie à ailettes connus. As illustrated in FIG. 4, the first and third lateral faces of the module 3 can be connected to the same supply manifold 5 allowing the circulation of the primary fluid in all the hollow wires 4a and 4b, while controlling the pressure. The supply manifold 5 makes it possible to inject the primary fluid into each hollow wire 4a, 4b. The integration of such a collector in a module 3 constituted by very small diameter son allows the circulation of the primary fluid at very high pressure, for example up to 150 bar. The connection between the ends of the wires 4a, 4b and the collector 5 is preferably carried out by soldering, thus ensuring a stability of the mechanical strength and thermal performance in the time much greater than that of known battery-type exchangers .
Comme illustré à la figure 4, l'échangeur comporte, de préférence, au moins un collecteur d'extraction 6, connecté aux deuxième et quatrième faces du module. Cette connexion est, de préférence, également réalisée par brasage. As illustrated in FIG. 4, the heat exchanger preferably comprises at least one extraction manifold 6 connected to the second and fourth faces of the module. This connection is preferably also carried out by soldering.
Le module élémentaire 3 est dimensionné en fonction du diamètre des fils 4a, 4b constituant les microcanaux. La longueur d'un fil creux, qui détermine 30 la longueur et la largeur d'un module 3, est, de préférence, comprise entre 300 et 1000 fois son diamètre interne. Une telle contrainte permet de limiter The elementary module 3 is dimensioned according to the diameter of the son 4a, 4b constituting the microchannels. The length of a hollow wire, which determines the length and width of a module 3, is preferably between 300 and 1000 times its inner diameter. Such a constraint makes it possible to limit
les pertes de pression dans l'échangeur. À titre d'exemple, pour un diamètre interne de 0,5 mm la longueur des fils 4 est comprise entre 15 cm et 50 cm, alors que pour un diamètre interne de 1,5 mm, la longueur des fils peut être comprise entre 45 cm et 150 cm. the pressure losses in the exchanger. By way of example, for an internal diameter of 0.5 mm, the length of the wires 4 is between 15 cm and 50 cm, whereas for an internal diameter of 1.5 mm, the length of the wires may be between 45 and 50 cm. cm and 150 cm.
Le dimensionnement de la longueur et de la largeur des modules en fonction du diamètre interne des fils creux peut rendre nécessaire l'association de plusieurs modules pour la réalisation d'échangeurs de grande surface active. De plus, l'association de modules élémentaires 3 simples pour la réalisation 1 o d'un échangeur thermique complet permet d'ajuster au plus près des besoins, le design et l'intégration des modules. The sizing of the length and the width of the modules as a function of the internal diameter of the hollow wires may make it necessary to combine several modules for the production of exchangers of large active area. In addition, the combination of simple elementary modules 3 for the realization 1 o of a complete heat exchanger makes it possible to adjust as closely as possible the design and integration of the modules.
La connexion des collecteurs d'alimentation 5 et d'extraction 6 aux fils de chaîne 4b et aux fils de trame 4a par brasage assure l'étanchéité du fluide 15 primaire. Le brasage permet la réalisation du module sans aucune liaison mécanique et sans aucun joint. Un échangeur composé d'au moins un module permet l'utilisation de fluide primaire dangereux (inflammable, ICPE Installations Classées pour la Protection de l'Environnement ) en faible quantité grâce au diamètre interne très faible des fils creux et en l'absence 20 de volume mort dans le dispositif. The connection of the supply and extraction manifolds 6 to the warp yarns 4b and to the weft yarns 4a by brazing ensures the sealing of the primary fluid. Brazing allows the realization of the module without any mechanical connection and without any seal. An exchanger consisting of at least one module allows the use of primary hazardous fluid (flammable, ICPE Installations Classified for the Protection of the Environment) in small quantities thanks to the very small internal diameter of the hollow wires and in the absence of 20 dead volume in the device.
Dans une variante illustrée à la figure 5, l'architecture bidirectionnelle obtenue par le tissage permet l'utilisation de deux fluides primaires distincts. Un premier fluide primaire circule dans les fils de trame 4a, tandis qu'un 25 second fluide primaire circule dans les fils de chaîne 4b. Ainsi, l'échangeur thermique comporte deux collecteurs d'alimentation 5a et 5b distincts, alimentant respectivement les fils de trame 4a et les fils de chaîne 4b. Bien entendu, les extrémités opposées des fils reliés aux collecteurs d'alimentation 5a et 5b peuvent être connectés à deux collecteurs 30 d'extractions 6a et 6b correspondants. In a variant illustrated in Figure 5, the bidirectional architecture obtained by weaving allows the use of two separate primary fluids. A first primary fluid flows in the weft yarns 4a, while a second primary fluid circulates in the warp yarns 4b. Thus, the heat exchanger comprises two separate supply manifolds 5a and 5b, respectively feeding the weft son 4a and the warp son 4b. Of course, the opposite ends of the wires connected to the supply manifolds 5a and 5b can be connected to two corresponding extraction manifolds 6a and 6b.
Lors de l'utilisation de deux fluides primaires distincts, les diamètres internes et/ou externes des fils de trame 4a et de chaîne 4b peuvent êtres différents afin de minimiser les pertes de pression et/ou d'optimiser l'échange thermique entre chacun des fluides primaires et le fluide secondaire, en fonction des propriétés des fluides primaires. When two different primary fluids are used, the internal and / or external diameters of the weft 4a and 4b warp threads may be different in order to minimize the pressure losses and / or to optimize the heat exchange between each of the primary fluids and the secondary fluid, depending on the properties of the primary fluids.
Comme illustré à la figure 6, un module tridimensionnel peut comporter une pluralité de modules élémentaires 3 superposés. Le module tridimensionnel est, de préférence, un parallélépipède, de section carrée si les fils de chaîne et les fils de trame ont un même diamètre et une même longueur ou de section rectangulaire si les fils de trame et les fils de chaîne sont différents. L'épaisseur d'un tel module tridimensionnel peut être de l'ordre de plusieurs centimètres. As illustrated in FIG. 6, a three-dimensional module may comprise a plurality of superimposed elementary modules 3. The three-dimensional module is preferably a parallelepiped of square section if the warp son and the weft son have the same diameter and the same length or rectangular section if the weft son and the warp son are different. The thickness of such a three-dimensional module can be of the order of several centimeters.
Plusieurs modules élémentaires ou plusieurs modules tridimensionnels peuvent être connectés pour former un échangeur de plus grande dimension. Several elementary modules or three-dimensional modules can be connected to form a larger exchanger.
La rigidité d'un module est, de préférence, assurée par les collecteurs 5 et/ou 6. La souplesse résiduelle de l'ensemble permet de résister aux dilatations et aux chocs thermiques. The rigidity of a module is preferably provided by the collectors 5 and / or 6. The residual flexibility of the assembly makes it possible to resist expansion and thermal shock.
Un module peut être réalisé dans un seul matériau. Le matériau utilisé est métallique, de préférence en cuivre, inox, aluminium ou plastique. À titre d'exemple, l'utilisation de cuivre uniquement permet d'éviter la corrosion cuivre/aluminium, générée par effet de pile dans les échangeurs thermiques actuels. De plus, la conception mono-matériau de l'échangeur thermique permet d'en faciliter le recyclage en fin de vie. La structure réalisée par tissage de fils creux permet en outre de limiter la masse de métal utilisée pour la réalisation de l'échangeur thermique.30 A module can be made of a single material. The material used is metallic, preferably copper, stainless steel, aluminum or plastic. For example, the use of copper only avoids the copper / aluminum corrosion, generated by stack effect in the current heat exchangers. In addition, the single-material design of the heat exchanger makes it easier to recycle at the end of its life. The structure made by weaving hollow wires also makes it possible to limit the mass of metal used for producing the heat exchanger.
L'utilisation de fils creux tissés permet d'obtenir un coefficient d'échange thermique élevé entre la paroi des fils et le fluide secondaire ainsi qu'entre la paroi des fils et le fluide primaire. L'augmentation significative de la surface d'échange par l'adoption de la structure tissée permet aussi de réduire le volume de l'échangeur. Cette réduction de volume limite l'encombrement du dispositif ainsi que son poids, permettant de diminuer la quantité de fluide primaire, ce qui est avantageux lors de l'utilisation de produits dangereux. L'absence d'ailette permet de s'affranchir des inconvénients correspondant des échangeurs connus et de profiter pleinement d'un bon coefficient d'échange du côté du fluide secondaire. The use of woven hollow son makes it possible to obtain a high heat exchange coefficient between the wall of the wires and the secondary fluid as well as between the wall of the wires and the primary fluid. The significant increase of the exchange surface by the adoption of the woven structure also reduces the volume of the exchanger. This reduction in volume limits the size of the device and its weight, to reduce the amount of primary fluid, which is advantageous when using hazardous products. The absence of fins makes it possible to overcome the corresponding drawbacks of the known exchangers and to take full advantage of a good exchange coefficient on the side of the secondary fluid.
En fonctionnement, le fluide primaire est injecté dans les fils creux, tandis que le fluide secondaire, de préférence constitué par de l'air, circule au travers du tissage, c'est-à-dire sensiblement perpendiculairement au plan du module élémentaire 3. Dans le cas d'un système de refroidissement, le fluide primaire peut être de l'eau, qui est injectée chaude dans l'échangeur, un ventilateur brassant de l'air servant de fluide secondaire. Ainsi, la chaleur est transférée à l'air par convection forcée, permettant le refroidissement du liquide. In operation, the primary fluid is injected into the hollow wires, while the secondary fluid, preferably constituted by air, circulates through the weaving, that is to say substantially perpendicularly to the plane of the elementary module 3. In the case of a cooling system, the primary fluid may be water, which is injected hot into the exchanger, a fan stirring air as a secondary fluid. Thus, the heat is transferred to the air by forced convection, allowing the cooling of the liquid.
Un échangeur thermique tel que décrit ci-dessus permet le refroidissement, le chauffage, la condensation ou l'évaporation d'un fluide primaire grâce à la circulation d'un fluide secondaire. Les fluides pouvant être utilisés sont extrêmement variés et dépendent évidemment du procédé industriel dans lequel s'intègre l'échangeur. Un échangeur peut être utilisé dans la sphère domestique ou industrielle et apporter une réponse technique et économique notamment dans les domaines suivants : le chauffage et le conditionnement de l'air dans un local d'habitation ou de bureaux la réfrigération de l'air dans une vitrine frigorifique, la récupération de chaleur sur des gaz (combustion, séchage, etc.), les évaporateurs et condensateurs de pompe à chaleur ou de groupe de production de froid air/air, air/eau, eau/eau, etc, la condensation de buées dans les procédés chimiques. 9 A heat exchanger as described above allows the cooling, heating, condensation or evaporation of a primary fluid through the circulation of a secondary fluid. The fluids that can be used are extremely varied and obviously depend on the industrial process in which the exchanger is integrated. An exchanger can be used in the domestic or industrial sphere and provide a technical and economic response, particularly in the following areas: heating and air conditioning in a residential or office space air refrigeration in a room refrigeration showcase, heat recovery on gases (combustion, drying, etc.), evaporators and heat pump condensers or cooling unit air / air, air / water, water / water, etc., condensation fogging in chemical processes. 9
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| FR2930982A1 true FR2930982A1 (en) | 2009-11-13 |
Family
ID=40227915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR0802585A Pending FR2930982A1 (en) | 2008-05-13 | 2008-05-13 | THERMAL HEAT EXCHANGER WITH HOLLOW THREADS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2930982A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2546144A (en) * | 2015-11-10 | 2017-07-12 | Hamilton Sundstrand Corp | Heat exchanger |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| FR2438246A1 (en) * | 1978-10-05 | 1980-04-30 | Fiat Ricerche | HEAT EXCHANGER COMPRISING TUBE BEAMS COMPOSED OF MULTIPLE PLATES |
| EP0010817A1 (en) * | 1978-11-06 | 1980-05-14 | Akzo N.V. | Apparatus for the exchange of heat by means of channels having a small diameter, and the use of this apparatus in different heating systems |
| EP0069262A1 (en) * | 1981-07-06 | 1983-01-12 | Akzo GmbH | Apparatus by which heat is transmitted through hollow fibres |
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-
2008
- 2008-05-13 FR FR0802585A patent/FR2930982A1/en active Pending
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| GB2546144B (en) * | 2015-11-10 | 2020-11-25 | Hamilton Sundstrand Corp | Heat exchanger |
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