WO2024121005A1 - Echangeur de chaleur à structure alvéolaire - Google Patents

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WO2024121005A1
WO2024121005A1 PCT/EP2023/083993 EP2023083993W WO2024121005A1 WO 2024121005 A1 WO2024121005 A1 WO 2024121005A1 EP 2023083993 W EP2023083993 W EP 2023083993W WO 2024121005 A1 WO2024121005 A1 WO 2024121005A1
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fluid
conduits
heat exchange
heat exchanger
transporting
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PCT/EP2023/083993
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Inventor
Mathieu BOCQUAIRE
Guilhem Roux
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/001—Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core

Definitions

  • the present invention relates to alveolar type heat exchangers, in particular intended to cool a fluid whose temperature is between 50 °C and 1000 °C, in particular greater than 300 °C, for example in the metallurgical, chemical, petrochemical or electronic.
  • a heat exchanger allows the transfer of heat between two fluids through a heat exchange wall and without mixing the fluids.
  • the heat exchange wall is generally made of the most conductive material possible, for example a metal such as copper, in order to promote heat exchange and limit thermal losses.
  • Heat transfer is promoted by the temperature difference between the two fluids, with heat going from hotter to colder.
  • one of the fluids is cooled while the other fluid is heated after passing through the heat exchanger.
  • the fluids circulate in the exchanger counter-current, i.e. in parallel and opposite directions of circulation, or in cross-flow, i.e. in perpendicular directions of circulation.
  • Such types of circulation improve the efficiency of heat transfer compared to co-current circulation, i.e. in the same parallel circulation directions.
  • the efficiency of heat transfer depends on the shape and dimensions of the wall, the material of which the wall is made, the composition and velocities of the fluids and the temperature difference between the fluids.
  • heat exchangers for example tubular exchangers, plate exchangers, regenerators and direct contact exchangers.
  • Exchangers with a cellular structure are also known, which include fluid transport conduits which are formed in the mass of the heat exchanger, generally by additive manufacturing. Such heat exchangers are adapted to the circulation of a single fluid within them.
  • the invention relates to a heat exchanger comprising: a metal shell, a metal and monolithic heat exchange body, housed in the shell and extending along a longitudinal axis between first and second opposite faces, a heat transport conduit a first fluid provided in the heat exchange body between an inlet of the first fluid and an outlet of the first fluid which open onto the first and second faces respectively, a conduit for transporting a second fluid provided in the heat exchange body between a second fluid inlet and a second fluid outlet, the heat exchange body comprising a heat exchange wall extending parallel to the longitudinal axis and separating the transport conduit of the first fluid from the transport conduit of the second fluid, the calender comprising a second fluid inlet opening and a second fluid discharge opening which are in fluid communication with the second fluid inlet and the second fluid outlet respectively, the calender and the body of heat exchange delimiting a circulation cavity for the second fluid which is sealed to the second fluid between the second fluid intake opening and the second fluid discharge opening.
  • the heat exchanger makes it possible to simply introduce the first and second fluid into the heat exchanger separately, for example by means of a simple inlet connection for each of the first and second fluids, then simply extracting them from the heat exchanger, for example by means of a simple evacuation connection for each of the first and second fluids.
  • the heat exchanger is compact and low mass.
  • the second fluid circulation cavity is sealed against the second fluid between the second fluid inlet opening and the second fluid discharge opening.
  • a volume of second fluid entering through the second fluid intake opening comes out entirely and only through the second fluid discharge opening.
  • the longitudinal axis may be rectilinear or curvilinear or consist of a succession of rectilinear portions, or even a succession of curvilinear portions and rectilinear portions.
  • the heat exchange body is preferably obtained by an additive manufacturing technique. Such a heat exchange body is simple to manufacture.
  • the heat exchange body can be fixed on the grille. For example, it is introduced into the grille and then welded onto the grille.
  • the assembly formed by the heat exchange body and the calender is monolithic.
  • it is obtained by an additive manufacturing technique. The production of the heat exchanger is thus simplified.
  • the additive manufacturing technique is preferably a powder bed additive manufacturing technique. It is for example chosen from:
  • SLM selective laser melting
  • SLS selective laser sintering
  • the heat exchange body and the grille are metallic.
  • the heat exchange body and/or the calender may be made of a metallic material chosen from a steel, in particular a stainless steel, a copper-based alloy, an aluminum-based alloy, a titanium-based alloy and a nickel-based alloy.
  • a “metal-based alloy” contains more than 50% by mass of said metal.
  • the grille is preferably hollow. It may have a general tubular and hollow shape.
  • the calender comprises a calender wall defining a calender housing in which the heat exchange body is arranged.
  • the second fluid intake opening and/or the second fluid discharge opening are formed in the calender wall and pass right through it, in particular to open into the calender housing.
  • the heat exchanger may include several second fluid inlet openings and/or several second fluid discharge openings.
  • the heat exchange body has first and second longitudinal walls whose exterior faces are respectively the first and second faces through which the first fluid inlet and the first fluid outlet respectively open.
  • the first and second longitudinal walls may have a side face of complementary shape to the interior face of the calender wall. Such complementarity of shape facilitates the sealing of the second fluid circulation cavity.
  • the heat exchange wall is sealed against each of said fluids. Preferably it is full.
  • the thickness of the heat exchange wall is for example between 200 pm and 5 mm. In a variant embodiment, it is less than 1 mm, in particular less than 500 pm.
  • the heat exchanger comprises several conduits for transporting the first fluid and several conduits for transporting the second fluid.
  • conduits for transporting the first fluid and the conduits for transporting the second fluid are parallel to each other.
  • At least one, in particular each, of the conduits for transporting the first fluid is separated from at least two, or even at least four, in particular four, conduits for transporting the second fluid by an exchange wall. corresponding thermal.
  • the heat exchange body may include a wall separating two conduits for transporting the second fluid. It may include a wall separating two conduits for transporting the first fluid.
  • at least two of the transport conduits of the first fluid can be spaced from each other by a wall which delimits at least one, or even two, of the heat exchange channels of the second fluid.
  • at least two, preferably each, of the conduits for transporting the first fluid are separated by a wall of which, measured in a section transverse to the longitudinal axis, represents less than 10% of the surface area. the heat exchange wall between a conduit for transporting a first fluid and a conduit for transporting the second fluid. Of in this way, the heat exchange between the flows of first fluid circulating in adjacent conduits is reduced.
  • the diameter of at least one, preferably each, of the transport conduits of the first fluid and/or the diameter of at least one, preferably of each, of the transport conduits of the second fluid may be between 1 mm and 10mm.
  • the diameter of a conduit is measured in a plane transverse to the axis of the conduit and is the diameter of the smallest circle circumscribed by the contour of the conduit.
  • At least one of the first fluid transport conduits in particular each of the first fluid transport conduits, may have a constant diameter between the first fluid inlet and the first fluid outlet.
  • At least one of the second fluid transport conduits in particular each of the second fluid transport conduits, may have a constant diameter between the second fluid inlet and the second fluid outlet.
  • the contour of at least one, preferably each, of the circulation conduits of the first fluid and the contour of at least one, preferably of each, of the circulation conduits of the second fluid have different shapes, when ' observed along the longitudinal axis.
  • the contour of at least one, preferably each, of the transport conduits of the first fluid has the shape of a diamond
  • the contour of at least one, preferably of each, of the transport conduits of the first fluid second fluid has a different shape, in particular polygonal, for example triangular, square or hexagonal, said contours being observed along the longitudinal axis.
  • a diamond-shaped contour is more suitable than a square or hexagonal shape and ensures that each circulation conduit for the first fluid is separated from at least one of the circulation conduits for the second fluid.
  • the heat exchanger is then more particularly efficient by promoting heat exchange over a large exchange surface between the fluids. The total number of transport conduits and the mass of the heat exchange body can thus be reduced.
  • At least two of the transport conduits of the first fluid preferably all the transport conduits of the first fluid have an identical section and/or at least two of the transport conduits of the second fluid, preferably all conduits for transporting the second fluid have an identical section, the sections being observed along the longitudinal axis.
  • Two identical sections have the same shape and the same area.
  • the section of at least one, preferably each, of the circulation conduits of the first fluid and the area of the section of at least one, preferably of each, of the circulation conduits of the second fluid are different, the sections being observed along the longitudinal axis. In this way, the efficiency of heat exchange between the first and second fluids can be optimized.
  • the total area occupied by the first fluid conduit(s) and by the second fluid conduit(s) represents more than 20% of the area of the surface defined by the inner contour of the grille wall.
  • the ratio between the sectional area of one of the circulation conduits of the first fluid and the sectional area of one of the circulation conduits of the second fluid adjacent to said circulation conduit of the first fluid may be between 1 and 3, said sections being observed along the longitudinal axis.
  • the first fluid transport conduits and the second fluid transport conduits are preferably distributed regularly, preferably periodically, in at least one direction transverse to the longitudinal axis, preferably in two directions transverse to the longitudinal axis and perpendicular between them.
  • the calender and the heat exchange body delimit a second fluid admission chamber into which at least part of the second fluid inlets open and/or a second fluid evacuation chamber into which at least one opens. part of the second fluid outlets.
  • the second fluid intake chamber thus makes it possible to distribute the second fluid to the different second fluid transport conduits with which it is in fluid communication and the second fluid evacuation chamber makes it possible to collect the second fluid leaving said conduits.
  • the second fluid intake opening opens into the second fluid intake chamber and/or the second fluid discharge opening opens into the second fluid discharge chamber, which facilitates distribution and collecting the second fluid in the heat exchanger.
  • the second fluid admission chamber is sealed to the second fluid between the second fluid admission opening and the second fluid inlets which open into the second fluid admission chamber, and/or the second fluid admission chamber, The second fluid discharge is sealed against the second fluid between the second fluid discharge opening and the second fluid outlets opening into the second fluid discharge chamber.
  • all the second fluid inlets open into the second fluid intake chamber and all the second fluid outlets open into the second fluid evacuation chamber.
  • the second fluid inlets of a first part of the plurality of second fluid circulation conduits open into the second fluid admission chamber.
  • the second fluid outlets of the conduits of said first part and the second fluid inlets of a second part of the plurality of conduits for transporting the second fluid are preferably in fluid communication.
  • the second fluid inlets of the conduits of said second part are preferably opposite along the longitudinal axis to the first fluid inlets of the conduits of said first part. In this way, the second fluid circulates in one direction in the conduits of the first part, then in an opposite direction in the conduits of the second part.
  • the calender and the heat exchange body can delimit at least one transfer chamber, the second fluid outlets of the conduits of the first part and the second fluid inlets of the conduits of the second fraction part in the transfer chamber .
  • the transfer chamber is preferably sealed between the second fluid outlets of the conduits of the first part and the second fluid inlets of the conduits of the second part.
  • At least one, or even each, of the circulation conduits of the first fluid can be sealed against the first fluid between its first fluid inlet and its first fluid outlet and/or at least one, or even each, of the circulation conduits of the first fluid.
  • second fluid can be sealed against the second fluid between its second fluid inlet and its second fluid outlet.
  • At least two of the first fluid circulation conduits, respectively the second fluid circulation conduits can be separated from each other by a wall comprising a turbulator in the form of a through recess said wall on both sides.
  • said wall fluidly connects the two adjacent conduits for circulating the first fluid, respectively the second fluid.
  • the assembly formed by the two circulation conduits of the first fluid, respectively by the circulation conduits of the second fluid, is thus sealed to the first fluid, respectively between the inlets and outlets of the two corresponding conduits.
  • the turbulator extends longitudinally, in order to increase the turbulence of the flow in said conduits.
  • the wall separating the two conduits may include several turbulators distributed regularly along the longitudinal axis.
  • the calender may comprise a first fluid inlet opening and/or a first fluid discharge opening which are in fluid communication with at least one, preferably each, of the first fluid inlets and/or or with at least one, preferably each, of the first fluid outlets respectively.
  • the calender may comprise a first fluid intake chamber into which the first fluid intake opening and at least one part, preferably all the first fluid inlets, open, and/or a first fluid evacuation chamber. into which the first fluid discharge opening and at least a part, preferably all of the first fluid outlets open.
  • the first fluid admission chamber is sealed to the first fluid between the first fluid admission opening and the first fluid inlets opening into the first fluid admission chamber and/or the evacuation chamber of first fluid is sealed to the first fluid between the first fluid discharge opening and the first fluid outlets opening into the first fluid discharge chamber.
  • the calender can be a tube with a hollow longitudinal axis, and the first fluid intake and evacuation openings can be the opposite longitudinal openings of said tube.
  • the first fluid inlet opening and the second fluid inlet opening are carried by different faces, in particular perpendicular, of the grille and/or the opening first fluid evacuation opening and the second fluid evacuation opening are carried by different faces, in particular perpendicular, of the calender.
  • the first fluid intake and discharge openings are carried by different faces of the calender wall which are opposite along the longitudinal axis and/or the second fluid intake and discharge openings.
  • fluid are carried by different wall faces of the calender which are opposite along the longitudinal axis.
  • the invention relates to the use of the heat exchanger according to the invention for exchanging heat between a first fluid and a second fluid, the first fluid and the second fluid being introduced into the heat exchange body at a temperature between 50°C and 1000°C.
  • the first and second fluids are introduced into the heat exchange body with a temperature difference between them greater than 100°C, preferably greater than 200°C, or even greater than 300°C, or even greater than 500°C. vs.
  • the first fluid upon introduction into the heat exchange body, the first fluid is colder than the second fluid.
  • the direction of circulation of the first fluid may be different from the direction of circulation of the second fluid.
  • the first fluid and/or the second fluid circulate in the heat exchange body in a turbulent flow regime, for example characterized by a Reynolds number greater than 2000.
  • the first fluid may be a gas, in particular air
  • the second fluid may be a liquid, for example aqueous, in particular water.
  • the first and second fluids are liquids.
  • the first liquid is aqueous and the second liquid is an oil.
  • the heat exchanger is used to cool a fluid whose temperature is greater than 100°C, or even greater than 500°C, in particular when the heat exchange body is made of a titanium-based alloy or an alloy. nickel-based.
  • a fluid whose temperature is greater than 100°C, or even greater than 500°C, in particular when the heat exchange body is made of a titanium-based alloy or an alloy. nickel-based.
  • FIG. 1 is a perspective view of an example of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a quarter of the heat exchanger of Figure 1, cut along a longitudinal median plane (PI) and along a transverse median plane (P2),
  • FIG. 3 is a perspective view of a section along the plane (P3) of the quarter of the heat exchanger of Figure 2,
  • FIG. 4 is a view along the arrow Fl of a part of the heat exchanger
  • FIG. 5 is a view of part of the heat exchanger of Figure 1 cut by the transverse median plane (P2)
  • FIG. 6 is one along the longitudinal axis and in the direction of arrow F2 of the part seen in Figure 5,
  • FIG. 7 is a cutaway view of a transverse section of the heat exchange body of the heat exchanger illustrated in Figures 1 to 6,
  • FIG. 8 is a photograph of the heat exchanger illustrated in Figures 1 to 6 obtained by additive manufacturing
  • FIG. 9 is another example of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 10 schematically illustrates other heat exchangers according to the invention.
  • Figures 1 to 7 show a first example of heat exchanger 1 according to the invention. It comprises a grille 3 extending longitudinally along a rectilinear axis X.
  • the calender 3 comprises openings for admission 5 and evacuation 7 of a first fluid which open longitudinally on either side of the calender 3. It further comprises openings for admission 9 and evacuation 11 of a second fluid carried by two of its opposite transverse faces.
  • a first fluid can flow longitudinally from side to side in the exchanger between the intake 5 and evacuation openings 7 of the first fluid and, as indicated by the arrow E2, a second fluid can flow longitudinally from side to side of the exchanger between the openings inlet 9 and evacuation 11 of second fluid.
  • the first and second fluids can thus exchange heat within the heat exchanger 1.
  • the first and second fluids flow in opposite directions and parallel to the axis heat exchanger. This so-called “counter-current” mode of fluid flow is not restrictive, the fluids being able to flow in the same direction, called “co-current” as will be described later.
  • the grille 3 has a general tubular shape with axis X and hollow. It comprises a grille wall 13 which surrounds a grille housing 15.
  • the heat exchanger 1 further comprises a heat exchange body 17.
  • the heat exchange body 17 comprises first 19 and second 21 longitudinal walls having first 23 and second 25 faces, and conduits for transporting the first fluid 27 which extend longitudinally and parallel to each other between the first 23 and second 25 faces.
  • Each of the first fluid transport conduits 27 opens its opposite ends onto the first 23 and second 25 faces via a first fluid inlet 29 and a first fluid outlet 31 respectively.
  • the calender 3 and the heat exchange body 17 delimit a circulation cavity for the second fluid 33 which extends longitudinally between the first 19 and second 21 walls of the heat exchanger 1.
  • the inlet 9 and evacuation openings 11 of second fluid are provided in opposite side walls of the calender and pass through these walls right through to open into the circulation cavity of the second fluid 33.
  • the heat exchange body 17 further comprises second fluid transport conduits 35 which extend parallel to each other along the longitudinal axis X, each between a second fluid inlet 37 and a second fluid outlet 39.
  • a first fluid admission chamber 41, sealed to the first fluid is defined by the calender 3 and the first wall 19 of the heat exchange body 17, between the first fluid admission opening 5 and the first fluid inlets 29, and a first fluid evacuation chamber 43 sealed to the first fluid is defined by the calender 3 and the second wall 21 of the heat exchange body 3 between the first fluid evacuation opening 11 and the first fluid outlets 31.
  • the heat exchange body 17 and the calender 3 further delimit a second fluid inlet chamber 45 and a second fluid evacuation chamber 46 which are contained in the circulation cavity of the second fluid.
  • the second fluid inlets 37 and the second fluid admission opening 9 are the only openings opening into the second fluid admission chamber 45.
  • the second fluid admission chamber is sealed to the second fluid between the second fluid inlets 37 and the admission opening 9.
  • the second fluid admission chamber thus makes it possible to distribute the second fluid in the second fluid circulation conduits through the second fluid inlets.
  • the second fluid outlets 39 and the second fluid evacuation opening 11 are the only openings opening into the second fluid evacuation chamber.
  • the second fluid admission chamber thus makes it possible to purge the second fluid leaving the second fluid circulation conduits through the second fluid evacuation opening.
  • the circulation cavity of the second fluid being sealed against the second fluid between the admission and discharge openings of the second fluid, a volume of second fluid introduced into the heat exchanger 1 through the second fluid admission opening 9 springs out entirely through the second fluid evacuation opening 11.
  • the transport conduits of the first fluid 27 and the transport conduits of the second fluid 35 are each defined by a side wall 47.
  • the side wall of a conduit for transporting the first fluid is for example visible in Figures 3 and 4, in order to ensure that the first fluid circulating in the conduit for transporting the first fluid 27 does not come into contact with the second fluid introduced into the second fluid intake chamber.
  • the heat exchange body 17 is shaped such that each transport conduit for the first fluid 27 is separated by a metal heat exchange wall 49 from at least one transport conduit for the second fluid 35, and vice versa.
  • the side wall 47 of a conduit for transporting the first fluid 27 may comprise several portions S 1-4 shown in dotted lines in FIG. 7, which are each a heat exchange wall 49 separating the conduit for transporting the first fluid 27 from different conduits for transporting the second fluid 35.
  • the transport conduits of the first fluid 27 can have an identical shape and the transport conduits of the second fluid 33 can all have an identical shape, with the exception of those where part of the wall is defined by the grille.
  • the conduits for transporting the first fluid and the conduits for transporting the second fluid have contours of different shapes and cover surfaces of different areas, in order to ensure optimal heat exchange between the first fluid and the second fluid.
  • the conduits for transporting the first fluid have a diamond-shaped contour Cl.
  • a diamond shape is particularly suitable, because it makes it possible to reduce the volume of the conduit for transporting the first fluid while maximizing the exchange surface between the first fluid and the second fluid circulating in four neighboring conduits, the heat exchange wall.
  • between one of the conduits for transporting the second fluid and the conduit for transporting the first fluid being defined in a plane transverse to the longitudinal axis by one side of the diamond.
  • the C2 contours of the second fluid transport conduits have a different shape which can be a triangular shape as illustrated.
  • the adjacent first fluid transport conduits 27 can be separated by a wall 51 which extends over a surface, measured in a plane transverse to the longitudinal axis, whose area is less than 10% of the area of the surface covered by the heat exchange wall separating one of the transport conduits of the first fluid and one of the circulation conduit circuits of the second fluid.
  • the heat exchange body 17 comprises walls 53 which extend longitudinally between opposite interior faces 55 of the calender wall 13 and parallel to each other and which separate each of the second fluid transport conduits 22 arranged two by two along axes transverse to the longitudinal axis.
  • Recesses 57 of oblong shape and which extend longitudinally are provided in the wall 53 and thus communicate the transport conduits of second fluid 33 adjacent. In this way, the turbulence of the flow of the second fluid in the heat exchange body 17 is increased, which improves the heat exchange with the first fluid.
  • the heat exchanger illustrated schematically in Figures 1 to 7 was manufactured by selective laser fusion of a particle powder in an aluminum alloy marketed by the Toyale company. It is illustrated in Figure 8. It has a length, measured along the
  • the heat exchanger illustrated in Figure 9 differs from that illustrated in Figures 1 to 6 in that it extends along a longitudinal axis X formed by a succession of rectilinear and curvilinear portions.
  • the heat exchanger can have a shape complementary to a housing of a device, for example a motor, in which it is intended to be placed.
  • the flow mode of fluids can be “counter-current” or “co-current”. If necessary, those skilled in the art can easily determine the inlet and outlet of a conduit according to a flow mode which are reversed when the flow direction is reversed.
  • the heat exchanger can be shaped so that, in at least one of its portions, the first and second fluids flow in co-current mode and in at least one other of its parts in counter-current mode.
  • Figure 10 schematically illustrates different views in longitudinal section of a part of the heat exchanger 17 in which the second fluid circulates between the inlet opening 9 and the evacuation opening 11 of the second fluid.
  • the first fluid flows through the first fluid circulation conduits, not shown, in the same direction indicated by the arrow V 1.
  • Figure 10a) illustrates the example of Figures 1 to 6 in which the second fluid enters the second fluid intake chamber 45 then is distributed by each of the second fluid inlets 37 in the corresponding transport conduits 33 where it is flows to the second fluid outlets 39 then is collected in the second fluid discharge chamber 46, where it is then purged through the second fluid discharge opening 11.
  • Figure 10b) illustrates a variant of Figure 10a) according to which the intake chamber 45 is sealed to the second fluid between the fluid intake opening and the second fluid inlets 37 of a first row I of conduits. circulation and the second fluid outlets 39 of the first row I of circulation conduits 33 open into a second fluid transfer chamber 59 from which the second fluid is distributed into the fluid inlets of a second II and a third row of circulation conduits.
  • the second fluid flows in a first direction in the first row I of conduits and in an opposite direction in the second II and third rows III of conduits.
  • the second fluid opens through the second fluid outlets 39 of the second II and third III rows into a second transfer chamber 61 from which the second fluid is introduced through the second fluid inlets into a fourth row IV of conduit up to 'to the evacuation chamber then the second fluid evacuation opening.
  • the fluid thus flows in the same direction as in the first row I.
  • Figure 10c) illustrates an alternative embodiment of the exchanger of Figure 10b) according to which the exchanger is shaped so that the second fluid flows from one row of conduits to another by changing flow direction in the manner of flow in a serpentine.

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Abstract

Échangeur de chaleur (1) comportant : une calandre (3) métallique, un corps (17) métallique et monolithique, dans la calandre et s'étendant longitudinalement entre des première (23) et deuxième (25) faces, un conduit de transport d'un premier fluide (27) dans le corps entre une entrée (29) et une sortie (31) qui débouchent sur les première et deuxième faces, un conduit de transport d'un deuxième fluide (35) dans le corps entre une entrée (37) et une sortie (39), le corps comportant une paroi (49) s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal et séparant les conduit de transport des premier et deuxième fluides, la calandre comportant une ouverture d'admission (9) et une ouverture d'évacuation(11) de deuxième fluide communicant avec les entrée et sortie de deuxième fluide respectivement, la calandre et le corps délimitant une cavité de circulation du deuxième fluide étanche au deuxième fluide ente l'ouverture d'admission et l'ouverture d'évacuation de deuxième fluide.

Description

Description
Titre : Echangeur de chaleur à structure alvéolaire
La présente invention concerne les échangeurs de chaleur du type alvéolaire, notamment destinés à refroidir un fluide dont la température est comprise entre 50 °C et 1000 °C, notamment supérieure à 300 °C, par exemple dans les industries métallurgiques, chimiques, pétrochimiques ou électroniques.
Un échangeur de chaleur permet le transfert de chaleur entre deux fluides au travers d'une paroi d’échange thermique et sans mélange des fluides. La paroi d’échange thermique est généralement en un matériau le plus conducteur possible, par exemple en un métal tel que le cuivre, afin de favoriser l'échange de chaleur et de limiter les pertes thermiques.
Le transfert de chaleur est promu par l'écart de température entre les deux fluides, la chaleur allant du plus chaud vers le plus froid. Ainsi l’un des fluides est refroidi tandis que l’autre fluide est réchauffé après avoir traversé l’échangeur de chaleur. Généralement, les fluides circulent dans l’échangeur à contre-courant, i.e. selon des sens de circulation parallèles et opposés, ou à courant croisé, i.e. selon des sens de circulation perpendiculaires. De tels types de circulation améliorent l’efficacité du transfert de chaleur par rapport à une circulation à co-courant, i.e. selon des même sens de circulation parallèles.
L’efficacité du transfert de chaleur dépend de la forme et des dimensions de la paroi, du matériau constitutif de la paroi, de la composition et des vitesses des fluides et de l’écart de température entre les fluides.
De nombreux types d’échangeurs de chaleur sont connus, par exemple les échangeurs tubulaires, les échangeurs à plaques, les régénérateurs et les échangeurs à contact direct. Des échangeurs à structure alvéolaire sont aussi connus, qui comportent des conduits de transport de fluide qui sont formés dans la masse de l’échangeur de chaleur, généralement par fabrication additive. De tels échangeurs de chaleur sont adaptés à la circulation d’un unique fluide en leur sein.
Il est connu de US 2021/0003349 Al un échangeur de chaleur à structure alvéolaire comportant des conduits formés dans la masse de l’échangeur de chaleur, pour l’échange de chaleur entre deux fluides circulant dans des conduits différents. L’échangeur de chaleur de US 2021/0003349 Al présente cependant des conduits de transport d’un premier fluide qui ont chacun une section transverse réduite afin de permettre l’alimentation en un deuxième fluide dans d’autres conduits.
Il existe un besoin pour améliorer les échangeurs de chaleur.
L’invention concerne un échangeur de chaleur comportant : une calandre métallique, un corps d’échange thermique métallique et monolithique, logé dans la calandre et s’étendant selon un axe longitudinal entre des première et deuxième faces opposées, un conduit de transport d’un premier fluide ménagé dans le corps d’échange thermique entre une entrée de premier fluide et une sortie de premier fluide qui débouchent sur les première et deuxième faces respectivement, un conduit de transport d’un deuxième fluide ménagé dans le corps d’échange thermique entre une entrée de deuxième fluide et une sortie de deuxième fluide, le corps d’échange thermique comportant une paroi d’échange thermique s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal et séparant le conduit de transport du premier fluide du conduit de transport du deuxième fluide, la calandre comportant une ouverture d’admission de deuxième fluide et une ouverture d’évacuation de deuxième fluide qui sont en communication de fluide avec l’entrée de deuxième fluide et la sortie de deuxième fluide respectivement, la calandre et le corps d’échange thermique délimitant une cavité de circulation du deuxième fluide qui est étanche au deuxième fluide ente l’ouverture d’admission de deuxième fluide et l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide.
Comme cela apparaîtra clairement par la suite, l’échangeur de chaleur selon l’invention permet d’introduire simplement dans l’échangeur de chaleur les premier et deuxième fluide de manière séparée, par exemple au moyen d’un simple raccord d’admission pour chacun des premier et deuxième fluides, puis de les extraire simplement de l’échangeur de chaleur, par exemple au moyen d’un simple raccord d’évacuation pour chacun des premier et deuxième fluides. En outre, l’échangeur thermique est compact et de faible masse.
La cavité de circulation du deuxième fluide est étanche au deuxième fluide entre l’ouverture d’admission de deuxième fluide et l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide. Autrement dit, un volume de deuxième fluide entrant par l’ouverture d’admission de deuxième fluide ressort intégralement et uniquement par l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide. L’axe longitudinal peut être rectiligne ou curviligne ou consister en une succession de portions rectilignes, voire en une succession de portions curvilignes et de portions rectilignes.
Le corps d’échange thermique est de préférence obtenu par une technique de fabrication additive. Un tel corps d’échange thermique est de fabrication simple.
Le corps d’échange thermique peut être fixé sur la calandre. Par exemple, il est introduit dans la calandre puis soudé sur la calandre.
Dans une variante préférée, l’ensemble formé par le corps d’échange thermique et la calandre est monolithique. De préférence, il est obtenu par une technique fabrication additive. La production de l’échangeur de chaleur est ainsi simplifiée.
La technique de fabrication additive est de préférence une technique de fabrication additive sur lit de poudre. Elle est par exemple choisie parmi :
- la fabrication additive par fusion sélective par laser, aussi dénommée fabrication additive « SLM »,
- la fabrication additive par frittage sélectif par laser, aussi dénommée fabrication additive « SLS »,
- la fabrication additive par projection de poudre, aussi dénommée « DED » ou « cold spray » (projection à froid en français), et
- la fabrication additive par dépôt de fil, aussi dénommée « WAAM »
Ces techniques de fabrication additive sont bien connues de l’homme du métier.
Le corps d’échange thermique et la calandre sont métalliques. Le corps d’échange thermique et/ou la calandre peuvent être en un matériau métallique choisi parmi un acier, notamment un acier inoxydable, un alliage à base de cuivre, un alliage à base d’aluminium, un alliage à base de titane et un alliage à base de nickel. Un « alliage à base d’un métal » comporte plus de 50 % en masse dudit métal.
La calandre est de préférence creuse. Elle peut présenter une forme générale tubulaire et creuse.
De préférence, la calandre comporte une paroi de calandre définissant un logement de calandre dans lequel le corps d’échange thermique est disposé.
De préférence, l’ouverture d’admission de deuxième fluide et/ou l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide sont formées dans la paroi de calandre et la traversent de part en part, en particulier pour déboucher dans le logement de calandre. L’échangeur de chaleur peut comporter plusieurs ouvertures d’admission de deuxième fluide et/ou plusieurs ouvertures d’évacuation de deuxième fluide.
De préférence, le corps d’échange thermique présente des première et deuxième parois longitudinales dont les faces extérieures sont respectivement les première et deuxième faces par lesquelles débouchent l’entrée de premier fluide et la sortie de premier fluide respectivement. De préférence, les première et deuxième parois longitudinales peuvent présenter une face latérale de forme complémentaire à la face intérieure de la paroi de calandre. Une telle complémentarité de forme facilite l’étanchéification de la cavité de circulation de deuxième fluide.
Bien évidemment, pour assurer que les premier et deuxième fluide ne soient pas en contact l’un de l’autre, la paroi d’échange thermique est étanche à chacun desdits fluides. De préférence, elle est pleine.
L’épaisseur de la paroi d’échange thermique est par exemple comprise entre 200 pm et 5 mm. Dans une variante de réalisation, elle est inférieure à 1 mm, notamment inférieure à 500 pm.
De préférence, afin d’augmenter l’efficacité du transfert thermique, l’échangeur thermique comporte plusieurs conduits de transport du premier fluide et plusieurs conduits de transport du deuxième fluide.
De préférence, les conduits de transport du premier fluide et les conduits de transport du deuxième fluide sont parallèles entre eux.
De préférence, au moins l’un, notamment chacun, des conduits de transport du premier fluide est séparé d’au moins deux, voire d’au moins quatre, notamment de quatre, conduits de transport du deuxième fluide par une paroi d’échange thermique correspondante.
Le corps d’échange thermique peut comporter une paroi séparant deux conduits de transport du deuxième fluide. Il peut comporter une paroi séparant deux conduits de transport du premier fluide. De préférence, au moins deux des conduits de transport du premier fluide peuvent être espacés l’un de l’autre par une paroi qui délimite au moins un, voire deux, des canaux d’échange thermique du deuxième fluide. Selon une autre variante préférée, au moins deux, de préférence chacun, des conduits de transport du premier fluide sont séparés par une paroi dont Faire, mesurée dans une section transverse à l’axe longitudinal, représente moins de 10 % de l’aire de la paroi d’échange thermique entre un conduit de transport d’un premier fluide et un conduit de transport du deuxième fluide. De cette façon, l’échange de chaleur entre les flux de premier fluide circulant dans des conduits adjacents est réduit.
Le diamètre d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de transport du premier fluide et/ou le diamètre d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de transport du deuxième fluide peut être compris entre 1 mm et 10 mm. Le diamètre d’un conduit est mesuré dans un plan transversal à l’axe du conduit et est le diamètre du plus petit cercle circonscrit au contour du conduit.
Au moins un des conduits de transport du premier fluide, en particulier chacun des conduits de transport du premier fluide peut présenter un diamètre constant entre l’entrée de premier fluide et la sortie de premier fluide.
Au moins un des conduits de transport du deuxième fluide, en particulier chacun des conduits de transport du deuxième fluide peut présenter un diamètre constant entre l’entrée de deuxième fluide et la sortie de deuxième fluide.
De préférence, le contour d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de circulation du premier fluide et le contour d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de circulation du deuxième fluide présentent des formes différentes, lorsqu’ observés selon l’axe longitudinal. Ainsi, il est possible d’augmenter le nombre de conduits de transport du premier fluide voisins d’un conduit de transport du deuxième fluide, tout en réduisant la masse de la paroi d’échange thermique séparant les conduits.
De préférence, le contour d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de transport du premier fluide a la forme d’un losange, et le contour d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de transport du deuxième fluide a une forme différente, notamment polygonale, par exemple triangulaire, carrée ou hexagonale, lesdits contours étant observés selon l’axe longitudinal. Un contour en forme de losange est plus adapté qu’une forme carrée ou hexagonale et assure que chaque conduit de circulation du premier fluide est séparé d’au moins un des conduits de circulation du deuxième fluide. L’échangeur thermique est alors plus particulièrement performant en favorisant un échange de chaleur sur une grande surface d’échange entre les fluides. Le nombre total de conduits de transports et la masse du corps d’échange thermique peuvent ainsi être réduits.
De préférence, au moins deux des conduits de transports du premier fluide, de préférence tous les conduits de transports du premier fluide présentent une section identique et/ou au moins deux des conduits de transports du deuxième fluide, de préférence tous les conduits de transports du deuxième fluide présentent une section identique, les sections étant observées selon l’axe longitudinal. Deux sections identiques présentent une même forme et une même aire.
De préférence, faire de la section d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de circulation du premier fluide et l’aire de la section d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de circulation du deuxième fluide sont différentes, les sections étant observées selon l’axe longitudinal. De cette façon, l’efficacité de l’échange de chaleur entre les premier et deuxième fluides peut être optimisée.
De préférence, dans une coupe normale à l’axe longitudinal, l’aire totale occupée par le ou les conduits de premier fluide et par le ou les conduits de deuxième fluide représente plus de 20 % de l’aire de la surface définie par le contour intérieur de la paroi de calandre.
Le rapport entre l’aire de la section d’un des conduits de circulation du premier fluide et l’aire de la section d’un des conduits de circulation du deuxième fluide adjacent audit conduit de circulation du premier fluide peut être compris entre 1 et 3, lesdites sections étant observées selon l’axe longitudinal.
Les conduits de transport du premier fluide et les conduits de transport de deuxième fluide sont de préférence répartis régulièrement, de préférence périodiquement, selon au moins une direction transverse à l’axe longitudinal, de préférence selon deux directions transverses à l’axe longitudinal et perpendiculaires entre elles.
De préférence, la calandre et le corps d’échange thermique délimitent une chambre d’admission de deuxième fluide dans laquelle débouchent au moins une partie des entrées de deuxième fluide et/ou une chambre d’évacuation de deuxième fluide dans laquelle débouchent au moins une partie des sorties de deuxième fluide. La chambre d’admission de deuxième fluide permet ainsi de distribuer le deuxième fluide aux différents conduits de transport du deuxième fluide auxquels elle est en communication fluidique et la chambre d’évacuation de deuxième fluide permet de collecter le deuxième fluide sortant desdits conduits.
De préférence, l’ouverture d’admission de deuxième fluide débouche dans la chambre d'admission de deuxième fluide et/ou l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide débouche dans la chambre d’évacuation de deuxième fluide, ce qui facilite la distribution et la collecte du deuxième fluide dans l’échangeur de chaleur. De préférence, la chambre d’admission de deuxième fluide est étanche au deuxième fluide entre l’ouverture d’admission de deuxième fluide et les entrées de deuxième fluide qui débouchant dans la chambre d’admission de deuxième fluide, et/ou la chambre d’évacuation de deuxième fluide est étanche au deuxième fluide entre l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide et les sorties de deuxième fluide débouchant dans la chambre d’évacuation de deuxième fluide.
Selon un mode de réalisation, toutes les entrées de deuxième fluide débouchent dans la chambre d’admission de deuxième fluide et toutes les sorties de deuxième fluide débouchent dans la chambre d’évacuation de deuxième fluide.
Selon un autre mode de réalisation, les entrées de deuxième fluide d’une première partie de la pluralité de conduits de circulation de deuxième fluide débouchent dans la chambre d’admission de deuxième fluide. Les sorties de deuxième fluide des conduits de ladite première partie et les entrées de deuxième fluide d’une deuxième partie de la pluralité des conduits de transport du deuxième fluide sont de préférence en communication de fluide. Les entrées de deuxième fluide des conduits ladite deuxième partie sont de préférence opposées selon l’axe longitudinal aux entrées de premier fluide des conduits de ladite première partie. De cette façon, le deuxième fluide circule dans un sens dans les conduits de la première partie, puis dans un sens opposé dans les conduits de la deuxième partie. En particulier, la calandre et le corps d’échange thermique peuvent délimiter au moins une chambre de transfert, les sorties de deuxième fluide des conduits de la première partie et les entrées de deuxième fluide des conduits de la deuxième fraction partie dans la chambre de transfert. La chambre de transfert est de préférence étanche entre les sorties de deuxième fluide des conduits de la première partie et les entrées de deuxième fluide des conduits de la deuxième partie.
Par ailleurs, au moins un, voire chacun, des conduits de circulation du premier fluide peut être étanche au premier fluide entre son entrée de premier fluide et sa sortie de premier fluide et/ou au moins un, voire chacun, des conduits de circulation du deuxième fluide peut être étanche au deuxième fluide entre son entrée de deuxième fluide et sa sortie de deuxième fluide.
En variante, au moins deux des conduits de circulation du premier fluide, respectivement des conduits de circulation du deuxième fluide, peuvent être séparés l’un de l’autre par une paroi comportant un turbulateur sous la forme d’un évidement traversant ladite paroi de part et part. Ainsi, ladite paroi relie fluidiquement les deux conduits adjacents de circulation du premier fluide, respectivement du deuxième fluide. L’ensemble formé par les deux conduits de circulation du premier fluide, respectivement par les conduits de circulation du deuxième fluide, est ainsi étanche au premier fluide, respectivement entre les entrées et les sorties des deux conduits correspondants.
De préférence, le turbulateur s’étend longitudinalement, afin d’augmenter la turbulence de l’écoulement dans lesdits conduits. De préférence, la paroi séparant les deux conduits peut comporter plusieurs turbulateurs répartis régulièrement le long de l’axe longitudinal.
Par ailleurs, la calandre peut comporter une ouverture d’admission de premier fluide et/ou une ouverture d’évacuation de premier fluide qui sont en communication de fluide avec au moins l’une, de préférence chacune, des entrées de premier fluide et/ou avec au moins l’une, de préférence chacune, des sorties de premier fluide respectivement.
La calandre peut comporter une chambre d’admission de premier fluide dans laquelle débouchent l’ouverture d’admission de premier fluide et au moins une partie, de préférence toutes les entrées de premier fluide, et/ou une chambre d’évacuation de premier fluide dans laquelle débouchent l’ouverture d’évacuation de premier fluide et au moins une partie, de préférence toutes les sorties de premier fluide.
De préférence, la chambre d’admission de premier fluide est étanche au premier fluide entre l’ouverture d’admission de premier fluide et les entrées de premier fluide débouchant dans la chambre d’admission de premier fluide et/ou la chambre d’évacuation de premier fluide est étanche au premier fluide entre l’ouverture d’évacuation de premier fluide et les sorties de premier fluide débouchant dans la chambre d’évacuation de premier fluide.
En particulier, la calandre peut être un tube d’axe longitudinal creux, et les ouvertures d’admission et d’évacuation de premier fluide peuvent être les ouvertures longitudinales opposées dudit tube.
De préférence, afin de faciliter le branchement de raccords pour alimenter et/ou purger l’échangeur de chaleur en premier et deuxième fluides respectivement, l’ouverture d’admission de premier fluide et l’ouverture d’admission de deuxième fluide sont portées par des faces différentes, notamment perpendiculaires, de la calandre et/ou l’ouverture d’évacuation de premier fluide et l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide sont portées par des faces différentes, notamment perpendiculaires, de la calandre.
De préférence, les ouvertures d’admission et d’évacuation de premier fluide sont portées par des faces de la paroi de calandre différentes et qui opposées le long de l’axe longitudinal et/ou les ouvertures d’admission et d’évacuation de deuxième fluide sont portées par des faces de paroi la calandre différentes et qui opposées le long de l’axe longitudinal.
Par ailleurs, l’invention concerne l’utilisation de l’échangeur thermique selon l’invention pour échanger de la chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide, le premier fluide et le deuxième fluide étant introduits dans le corps d’échange thermique à une température comprise entre 50 °C et 1000 °C.
De préférence, les premier et deuxième fluides sont introduits dans le corps d’échange thermique avec une différence de température entre eux supérieure à 100 °C, de préférence supérieure à 200 °C, voire supérieure à 300°C, voire supérieure à 500 °C.
De préférence, à l’introduction dans le corps d’échange thermique, le premier fluide est plus froid que le deuxième fluide.
Dans au moins un, de préférence dans chacun, des circuits de circulation de premier fluide et dans au moins un, de préférence dans chacun, des circuits de circulation de deuxième fluide, le sens de circulation du premier fluide peut être différent du sens de circulation du deuxième fluide.
De préférence, le premier fluide et/ou le deuxième fluide circulent dans le corps d’échange thermique selon un régime d’écoulement turbulent, par exemple caractérisé par un nombre de Reynolds supérieur à 2000.
Le premier fluide peut être un gaz, notamment de l’air, et le deuxième fluide peut être un liquide, par exemple aqueux, notamment de l’eau.
En variante, les premier et deuxième fluides sont des liquides. Par exemple, le premier liquide est aqueux et le deuxième liquide est une huile.
De préférence, l’échangeur de chaleur est utilisé pour refroidir un fluide dont la température est supérieure à 100 °C, voire supérieure à 500 °C, en particulier lorsque le corps d’échange thermique est en alliage à base de titane ou un alliage à base de nickel. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
- [Fig. 1 ] est une vue en perspective d’ un exemple d’ échangeur de chaleur selon l’invention,
- [Fig. 2] est une vue en perspective d’un quart de l’échangeur de chaleur de la figure 1, coupé selon un plan médian longitudinal (PI) et selon un plan médian transversal (P2),
- [Fig. 3] est une vue en perspective d’une coupe selon le plan (P3) du quart l’échangeur de chaleur de la figure 2,
- [Fig. 4] est une vue selon la flèche Fl d’une partie de l’échangeur de chaleur, [Fig. 5] est une vue d’une partie de l’échangeur de chaleur de la figure 1 coupé par le plan médian transverse (P2)
- [Fig. 6] est une selon l’axe longitudinal et dans la direction de la flèche F2 de la partie vue sur la figure 5,
- [Fig. 7] est une vue écorchée d’une coupe transverse du corps d’échange thermique de l’échangeur de chaleur illustré sur les figures 1 à 6,
- [Fig. 8] est une photographie de l’échangeur de chaleur illustré sur les figures 1 à 6 obtenu par fabrication additive
- [Fig. 9] est un autre exemple d’échangeur de chaleur selon l’invention, et
- [Fig. 10] illustre de manière schématique d’autres échangeurs de chaleur selon l’invention.
On a représenté sur les figures 1 à 7 un premier exemple d’échangeur de chaleur 1 selon l’invention. Il comporte une calandre 3 s’étendant longitudinalement selon un axe X rectiligne. La calandre 3 comporte des ouverture d’admission 5 et d’évacuation 7 d’un premier fluide qui débouchent longitudinalement de part et d’autre de la calandre 3. Elle comporte en outre des ouvertures d’admission 9 et d’évacuation 11 d’un deuxième fluide portées par deux de ses faces transversales opposées.
Ainsi, comme indiqué par la flèche El, un premier fluide peut s’écouler longitudinalement de part en part dans l’échangeur entre les ouvertures d’admission 5 et d’évacuation 7 de premier fluide et, comme indiqué par la flèche E2, un deuxième fluide peut s’écouler longitudinalement de part en part de l’échangeur entre les ouvertures d’admission 9 et d’évacuation 11 de deuxième fluide. Les premier et deuxième fluides peuvent ainsi échanger de la chaleur au sein de l’échangeur thermique 1. Dans l’exemple illustré, les premier et deuxième fluides s’écoulent dans des sens opposés et parallèles à l’axe X au sein de l’échangeur de chaleur. Ce mode d’écoulement des fluides dit à « contre- courant », n’est pas limitatif, les fluides pouvant s’écouler dans un même sens, dit à « cocourant » comme cela sera décrit plus loin.
Comme cela est plus particulièrement observable sur la figure 2, la calandre 3 présente une forme générale tubulaire d’axe X et creuse. Elle comporte une paroi de calandre 13 qui ceinture un logement de calandre 15.
L’échangeur de chaleur 1 comporte en outre un corps d’échange thermique 17. Le corps d’échange thermique 17 comporte des première 19 et deuxième 21 parois longitudinales présentant des première 23 et deuxième 25 faces, et des conduits de transport du premier fluide 27 qui s’étendent longitudinalement et parallèlement les uns aux autres entre les première 23 et deuxième 25 faces. Chacun des conduits de transport du premier fluide 27 débouche pas ses extrémités opposées sur les première 23 et deuxième 25 faces par une entrée de premier fluide 29 et une sortie de premier fluide 31 respectivement.
La calandre 3 et le corps d’échange thermique 17 délimitent une cavité de circulation du deuxième fluide 33 qui s’étend longitudinalement entre les première 19 et deuxième 21 parois de l’échangeur thermique 1. Les ouvertures d’admission 9 et d’évacuation 11 de deuxième fluide sont ménagées dans des parois latérales opposées de la calandre et traversent ces parois de part en part pour déboucher dans la cavité de circulation du deuxième fluide 33.
Le corps d’échange thermique 17 comporte en outre des conduits de transport du deuxième fluide 35 qui s’étendent parallèlement les uns aux autres selon l’axe longitudinal X, chacun entre une entrée de deuxième fluide 37 et une sortie de deuxième fluide 39.
Par ailleurs, une chambre d’admission de premier fluide 41, étanche au premier fluide, est définie par la calandre 3 et la première paroi 19 du corps d’échange thermique 17, entre l’ouverture d’admission de premier fluide 5 et les entrées de premier fluide 29, et une chambre d’évacuation 43 de premier fluide étanche au premier fluide est définie par la calandre 3 et la deuxième paroi 21 du corps d’échange thermique 3 entre l’ouverture d’évacuation de premier fluide 11 et les sorties de premier fluide 31. Ainsi, il est possible de distribuer simplement le premier fluide dans les conduits de premier fluide 27 en connectant l’ouverture d’admission de premier fluide 9 à un simple raccord d’alimentation en premier fluide et de purger les conduits de premier fluide 27 en connectant l’ouverture d’évacuation de premier fluide 11 à un simple raccord de purge en premier fluide.
Le corps d’échange thermique 17 et la calandre 3 délimitent en outre une chambre d’admission de deuxième fluide 45 et une chambre d’évacuation de deuxième fluide 46 qui sont contenues dans la cavité de circulation du deuxième fluide.
Les entrées de deuxième fluide 37 et l’ouverture d’admission de deuxième fluide 9 sont les uniques ouvertures débouchant dans la chambre d’admission de deuxième fluide 45. Ainsi, la chambre d’admission du deuxième fluide est étanche au deuxième fluide entre les entrées de deuxième fluide 37 et l’ouverture d’admission 9. La chambre d’admission du deuxième fluide permet ainsi de distribuer le deuxième fluide dans les conduits de circulation de deuxième fluide à travers les entrées de deuxième fluide. Les sorties de deuxième fluide 39 et l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide 11 sont les uniques ouvertures débouchant dans la chambre d’évacuation du deuxième fluide. La chambre d’admission du deuxième fluide permet ainsi de purger le deuxième fluide sortant des conduits de circulation de deuxième fluide à travers l’ouverture d’évacuation du deuxième fluide. La cavité de circulation du deuxième fluide étant étanche au deuxième fluide entre les ouvertures d’admission et d’évacuation du deuxième fluide, un volume de deuxième fluide introduit dans l’échangeur thermique 1 par l’ouverture d’admission de deuxième fluide 9 ressort intégralement par l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide 11.
Par ailleurs, afin d’assurer que les premier et deuxième fluides ne se mélangent pas dans l’échangeur de chaleur, les conduits de transport du premier fluide 27 et les conduits de transport du deuxième fluide 35 sont définis chacun par une paroi latérale 47. La paroi latérale d’un conduit de transport du premier fluide est par exemple visible sur les figures 3 et 4, afin d’assurer que le premier fluide circulant dans le conduit de transport du premier fluide 27 n’entre pas en contact avec le deuxième fluide introduit dans la chambre d’admission de deuxième fluide.
Le corps d’échange thermique 17 est conformé de telle sorte que chaque conduit de transport du premier fluide 27 est séparé par une paroi d’échange thermique 49 métallique d’au moins un conduit de transport du deuxième fluide 35, et vice-versa. La paroi latérale 47 d’un conduit de transport du premier fluide 27 peut comporter plusieurs portions S 1-4 représentées en pointillés sur la figure 7, qui sont chacune une paroi d’échange thermique 49 séparant le conduit de transport du premier fluide 27 de différents conduits de transport du deuxième fluide 35.
Comme observé sur les figures 6 et 7, dans au moins une section transverse à l’axe longitudinal, les conduits de transport du premier fluide 27 peuvent présenter une forme identique et les conduits de transport du deuxième fluide 33 peuvent tous présenter une forme identique, à l’exception de ceux dont une partie de la paroi est définie par la calandre.
Dans ladite section transverse, les conduits de transport du premier fluide et les conduits de transport du deuxième fluide présentent des contours de forme différente et couvrent des surfaces d’aire différentes, afin d’assurer un échange thermique optimal entre le premier fluide et le deuxième fluide.
Notamment, les conduits de transport du premier fluide présentent un contour Cl en forme de losange. Une forme en losange est particulièrement adaptée, car elle permet de réduire le volume du conduit de transport du premier fluide tout en maximisant la surface d’échange entre le premier fluide et le deuxième fluide circulant dans quatre conduits voisins, la paroi d’échange thermique entre un des conduits de transport du deuxième fluide et le conduit de transport du premier fluide étant défini dans un plan transverse à l’axe longitudinal par un côté du losange. Les contours C2 des conduits de transport du deuxième fluide présentent une forme différente qui peut être une forme triangulaire comme illustré.
Les conduits de transport du premier fluide 27 adjacents peuvent être séparés par une paroi 51 qui s’étend sur une surface, mesurée dans un plan transverse à l’axe longitudinal, dont l’aire est inférieure à 10 % de l’aire de la surface couverte par la paroi d’échange thermique séparant l’un des conduits de transport du premier fluide et un des circuits de conduits de circulation du deuxième fluide.
Par ailleurs, le corps d’échange thermique 17 comporte des parois 53 qui s’étendent longitudinalement entre des faces intérieures 55 opposées de la paroi de calandre 13 et parallèlement les unes aux autres et qui séparent chacun des conduits de transport de deuxième fluide 22 disposés deux à deux selon des axes transversaux à l’axe longitudinal.
Des évidements 57 de forme oblongue et qui s’étendent longitudinalement sont ménagés dans la paroi 53 et mettent ainsi en communication les conduits de transport de deuxième fluide 33 adjacents. De cette façon, la turbulence de l’écoulement du deuxième fluide dans le corps d’échange thermique 17 est augmentée, ce qui améliore l’échange de chaleur avec le premier fluide.
L’échangeur de chaleur illustré schématiquement sur les figures 1 à 7 a été fabriqué par fusion laser sélective d’une poudre de particules en un alliage d’aluminium commercialisé par la société Toyale. Il est illustré sur la figure 8. Il présente une longueur, mesurée selon l’axe X, de 10 cm et les conduits de transport du premier fluide présente un diamètre, mesuré dans un plan transverse, de 250 pm.
L’échangeur thermique illustré sur la figure 9 diffère de celui illustré sur les figures 1 à 6 en ce qu’il s’étend selon un axe longitudinal X formé d’une succession de portions rectilignes et curvilignes. Avantageusement l’échangeur thermique peut présenter une forme complémentaire à un logement d’un dispositif, par exemple un moteur, dans lequel il est destiné à être disposé.
Bien évidemment, l’invention n’est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus.
Par exemple, le mode d’écoulement des fluides peut être à « contre-courant » ou à « co-courant ». Le cas échéant, l’homme du métier peut aisément déterminer les entrée et sortie d’un conduit selon un mode d’écoulement qui sont inversées lorsque le sens d’écoulement est inversé.
En outre, l’échangeur thermique peut être conformé pour que, dans au moins une de ses portions les premier et deuxième fluides s’écoulent en mode à co-courant et dans au moins une autre de ses parties en mode à contre-courant.
La figure 10 illustre schématiquement différentes vue en coupe longitudinale d’une partie de l’échangeur thermique 17 dans lequel circule le deuxième fluide entre l’ouverture d’admission 9 et l’ouverture d’évacuation 11 de deuxième fluide. Dans ces différents exemples, le premier fluide s’écoule à travers les conduits de circulation de premier fluide, non représentés, dans un même sens indiqué par la flèche V 1.
La figure 10a) illustre l’exemple des figures 1 à 6 dans lequel le deuxième fluide pénètre dans la chambre d’admission de deuxième fluide 45 puis est distribué par chacune des entrées de deuxième fluide 37 dans les conduits de transport correspondants 33 où il s’écoule jusqu’aux sorties de deuxième fluide 39 puis est collecté dans la chambre d’évacuation de deuxième fluide 46, où il est ensuite purgé par l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide 11. La figure 10b) illustre une variante de la figure 10a) selon laquelle la chambre d’admission 45 est étanche au deuxième fluide entre l’ouverture d’admission de fluide et les entrées de second fluide 37 d’une première rangée I de conduits de circulation et les sorties de deuxième fluide 39 de la première rangée I de conduits de circulation 33 débouchent dans une chambre de transfert de deuxième fluide 59 à partir de laquelle le deuxième fluide est distribué dans les entrées de fluide d’une deuxième II et d’une troisième III rangée de conduits de circulation. Ainsi, le deuxième fluide s’écoule dans un premier sens dans la première rangée I de conduits et dans un sens opposé dans les deuxième II et troisième III rangées de conduits. Enfin, le deuxième fluide débouche par les sorties de deuxième fluide 39 des deuxième II et troisième III rangées dans une deuxième chambre de transfert 61 à partir de laquelle le deuxième fluide est introduit par les entrées de deuxième fluide dans une quatrième rangée IV de conduit jusqu’à la chambre d’évacuation puis l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide. Dans la quatrième rangée IV de conduits, le fluide s’écoule ainsi selon le même sens que dans la première rangée I. Enfin, la figure 10c) illustre une variante de réalisation de l’échangeur de la figure 10b) selon laquelle l’échangeur est conformé pour que le deuxième fluide s’écoule d’une rangée de conduits à une autre en changeant de sens d’écoulement à la manière d’un écoulement dans un serpentin.

Claims

Revendications
1. Échangeur de chaleur (1) comportant : une calandre (3) métallique, un corps d’échange thermique (17) métallique et monolithique, logé dans la calandre et s’étendant selon un axe (X) longitudinal entre des première (23) et deuxième (25) faces opposées, une pluralité de conduits de transport d’un premier fluide (27), chacun étant ménagé dans le corps d’échange thermique entre une entrée de premier fluide (29) et une sortie de premier fluide (31) qui débouchent sur les première et deuxième faces respectivement, une pluralité de conduits de transport d’un deuxième fluide (35), chacun étant ménagé dans le corps d’échange thermique entre une entrée de deuxième fluide (37) et une sortie de deuxième fluide (39), le corps d’échange thermique comportant des parois d’échange thermique (49) s’étendant parallèlement à l’axe longitudinal et séparant les conduits de transport du premier fluide des conduits de transport du deuxième fluide, la calandre comportant une ouverture d’admission de deuxième fluide (9) et une ouverture d’évacuation de deuxième fluide (11) qui sont en communication de fluide avec l’entrée de deuxième fluide et la sortie de deuxième fluide respectivement, la calandre et le corps d’échange thermique délimitant une cavité de circulation du deuxième fluide qui est étanche au deuxième fluide ente l’ouverture d’admission de deuxième fluide et l’ouverture d’évacuation de deuxième fluide, le contour (Cl) d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de transport du premier fluide (27) ayant la forme d’un losange, et le contour (C2) d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de transport du deuxième fluide (35) ayant une forme différente, lesdits contours étant observés selon l’axe longitudinal.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, le corps d’échange thermique (17) étant obtenu par une technique de fabrication additive.
3. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, l’ensemble formé par le corps d’échange thermique (17) et la calandre (3) étant monolithique, de préférence obtenu par une technique fabrication additive.
4. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, les conduits de transport du premier fluide (27) et les conduits de transport du deuxième fluide (35) étant parallèles entre eux.
5. Echangeur de chaleur selon l’une des revendications précédentes, la calandre (3) et le corps d’échange thermique (17) délimitant une chambre d’admission de deuxième fluide (45) dans laquelle débouchent au moins une partie des entrées de deuxième fluide (37) et/ou une chambre d’évacuation de deuxième fluide (46) dans laquelle débouchent au moins une partie des sorties de deuxième fluide (39).
6. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins l’un, notamment chacun, des conduits de transport du premier fluide (27) étant séparé d’au moins deux, voire d’au moins quatre, notamment de quatre, conduits de transport du deuxième fluide (35) par une paroi d’échange thermique (49) correspondante.
7. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins deux, de préférence chacun, des conduits de transport du premier fluide (27) étant séparés par une paroi (51) dont l’aire, mesurée dans une section transverse à l’axe longitudinal, représente moins de 10 % de l’aire de la paroi d’échange thermique entre un conduit de transport d’un premier fluide (S 1-4) et un conduit de transport du deuxième fluide (35).
8. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, au moins deux des conduits de transport du premier fluide (27) étant espacés l’un de l’autre par une paroi qui délimite au moins un, voire deux, des canaux d’échange thermique du deuxième fluide (35).
9. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, l'aire de la section d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de circulation du premier fluide (27) et l’aire de la section d’au moins un, de préférence de chacun, des conduits de circulation du deuxième fluide (35) étant différentes, les sections étant observées selon l’axe longitudinal.
10. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins deux des conduits de circulation du premier fluide (27), respectivement des conduits de circulation du deuxième fluide (35), étant séparés l’un de l’autre par une paroi (53) comportant un turbulateur sous la forme d’un évidement (57) traversant ladite paroi de part et part.
11. Echangeur de chaleur selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins un des conduits de transport du premier fluide (27), en particulier chacun des conduits de transport du premier fluide, présentant un diamètre constant entre l’entrée de premier fluide (29) et la sortie de premier fluide (31).
12. Utilisation de l’échangeur thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, pour échanger de la chaleur entre un premier fluide et un deuxième fluide, le premier fluide et le deuxième fluide étant introduits dans le corps d’échange thermique à une température comprise entre 50 °C et 1000 °C, le premier fluide étant de préférence plus froid que le deuxième fluide, à l’introduction dans le corps d’échange thermique.
13. Utilisation selon la revendication précédente, dans au moins un, de préférence dans chacun des circuits de circulation de premier fluide et dans au moins un, de préférence dans chacun des circuits de circulation de deuxième fluide, le sens de circulation du premier fluide étant différent du sens de circulation du deuxième fluide.
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