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DANS
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Surfa
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Organism
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HELICE
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Molecule
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water
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DES
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copper
(2)
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minee
(1)
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Physical
(6/ 8)
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4 h
(2)
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2 deg C-1
(2)
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2 l
(1)
[21][_]
2 s
(1)
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1 l
(1)
[23][_]
de 5 %
(1)
[24][_]
Company Reg No.
(2/ 3)
[25][_]
UK 271122
(2)
[26][_]
UK 659114
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2510246A1
Family ID 2980227
Probable Assignee Pyntech Limited
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title ECHANGEUR DE CHALEUR
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE UN ECHANGEUR DE CHALEUR.
L'ECHANGEUR DE CHALEUR COMPREND AU MOINS UN ELEMENT TUBULAIRE 1 SUR
UNE SURFACE EXTERIEURE DUQUEL EST ENROULEE UNE HELICE FORMEE D'UNE
MATIERE FILAMENTAIRE QUI SE PRESENTE SOUS LA FORME DE PLUSIEURS
BOUCLES HELICOIDALES 3 QUI SONT EN CONTACT THERMIQUE AVEC LA SURFACE
EXTERIEURE DE L'ELEMENT TUBULAIRE ET QUI S'ETENDENT RADIALEMENT VERS
L'EXTERIEUR PAR RAPPORT A CELUI-CI, LA DISTANCE MOYENNE ENTRE LES
PARTIES DE CHACUNE DES BOUCLES DE LA MATIERE FILAMENTAIRE, MESUREE
TRANSVERSALEMENT PAR RAPPORT A L'AXE LONGITUDINAL DE L'ELEMENT
TUBULAIRE, ETANT ESSENTIELLEMENT EGALE A L'ESPACEMENT ENTRE DES SPIRES
ADJACENTES DE LADITE HELICE; CET ECHANGEUR DE CHALEUR PEUT ETRE PLACE
DANS UN CONDUIT COMPORTANT UNE ENTREE D'AIR INFERIEURE ET UNE SORTIE
D'AIR SUPERIEURE.
APPLICATION AU CHAUFFAGE DE BATIMENTS.
Description
_________________________________________________________________
10246
La presente invention concerne un echangeur de chaleur pour
transmettre de la chaleur par convection naturelle L'echangeur de
chaleur peut etre utilise, par exemple, pour le chauffage ou le
refroidissement de batiments et il peut etre agence de-maniere a
obtenir un certain -
nombre d'avantages, tels qu'un encombrement reduit et une fai-
ble contenance d'water, en particulier lorsqu'il est incor-
pore a un appareil de chauffage du type monte en plinthe.
Les caracteristiques de transmission de chaleur d'un echan-
geur de chaleur peuvent etre definies en fonction d'une variation de
transmission de la chaleur entre des fluides, tels que de l'air et de
l'water, et en fonction des pertes de
charge des fluides dans l'echangeur de chaleur en correspon-
dance a la vitesse d'ecoulement desdits fluides Les surfa-
ces exterieures d'echangeurs de chaleur classiques sont augmentees par
des ailettes sous forme de plaques ou de
rubans qui ont pour fonction d'ameliorer la transmission de-
la chaleur Cependant, dans le cas d'une convection naturelle, il se
produit une interaction complexe entre la transmission de chaleur et
la perte de charge, qui rend souhaitable, si on desire obtenir des
performances optimales, de disposer d'une plus grande variabilite de
conception des surfaces d'echange par comparaison a ce qu'il est
possible d'obtenir avec des echangeurs de chaleur classiques
comportant des
ailettes sous forme de plaques et de rubans.
Un autre type d'echangeur de chaleur, comportant des ailettes en fils
metalliques, a ete decrit dans le brevet du Royaume Uni UK 271122
Cependant, cet echangeur de chaleur n'assure, dans sa forme connue,
qu'une faible transmission utile de chaleur lorsqu'il est utilise dans
une
application a convection naturelle.
Le probleme a resoudre par l'invention consiste a ameliorer les
performances d'echangeurs de chaleur, en particulier du type
comprenant un element tubulaire sur une surface exterieure duquel est
enroulee une helice formee d'une matiere filamentaire, ladite matiere
filamentaire
etant enroulee sous forme d'une pluralite de boucles helicoi-
dales qui sont en contact thermique avec la surface exterieure
-2510246
dudit element tubulaire et qui s'etendent radialement vers l'exterieur
a partir de celui-ci Un echangeur de chaleur
de ce dernier type sera designe dans la suite par l'expres-
sion " du type tubulaire a ailettes filamentaires " Ce type
d'echangeur de chaleur peut egalement comporter facul- tativement des
surfaces internes augmentees qui sont en bon contact thermique avec un
fluide interne, tel que de l'water, ainsi qu'avec les surfaces
externes augmentees appropriees ou bien avec des ailettes
filamentaires Les surfaces externes ou les ailettes filamentaires
peuvent avoir la meme forme generale que celle representee dans le
document " Chemical and Process Engineering ", Aout 1967, volume 48, n
8 En ce qui concerne les surfaces internes augmentees, des boucles de
fil metallique peuvent etre
enroulees sur des barres.
Conformement a un aspect de l'invention, un
echangeur de chaleur du type tubulaire a ailettes filamen-
taires a une structure caracterisee par les relations suivantes: F 1
inferieur a sy d 3/1 inferieur a F 2 2 et r 1 inferieur a m l
inferieur a r 2 l o: sy.d 3/1 est exprime en unites de force et sy
designe la contrainte nominale de la matiere filamentaire (Newtons/cm
2) F = -2 Newtons (valeur preferee) F 2 = 4 Newtons ( valeur preferee)
d designe le diametre de ladite matiere filamentaire(cm) 1 designe la
dimension radiale de ladite boucle (cm) m l est sans dimension m = ( 4
h)/(k d) h est le coefficient moyen de-transmission de chaleur
de film entre une ailette en fil et un fluide exte-
-2 -l rieur (KW cm-2 deg C-1) k designe la conductibilite thermique de
ladite matiere filamentaire, r 1 = 0,5 ( valeur preferee, sans
dimension) ( KW cm deg C 1)
r 2 = 2,0 ( valeur preferee, sans dimension).
10246
En ce qui concerne les relations donnees ci-
dessus, une convection naturelle peut etre caracterisee par
de faibles vitesses du fluide externe ( par exemple infe-
rieures a l,Om/s pour l'air) Ces relations etablissent une
transmission optimale de chaleur, dans une gamme de conditions
operatoires, avec des vitesses d'ecoulement de l'air resultant d'une
structure plus grande et plus ouverte des ailettes filamentaires que
ce qui est represente dans le brevet du Royaume Uni UK 271122 ou bien
dans le document precite, pour une dimension donnee de la matiere
filamentaire, telle qu'un fil metallique De preference la distance
moyenne (u) entre des parties de la matiere filamentaire dans chacune
desdites boucles, mesuree transversalement a l'axe longitudinal dudit
element tubulaire, est essentiellement egale a l'espacement (v) entre
des spires adjacentes de
ladite helice ( cf Fig 8) La boucle pourrait avantageu-
sement avoir une forme triangulaire, comme indique dans le
brevet UK 659114.
Conformement a un autre aspect de l'invention, un ou plusieurs
echangeurs de chaleur du type tubulaire a ailettes filamentaires
peuvent etre places dans-un ou plusieurs conduits a extremites
ouvertes qui sont prevus pour assurer la canalisation d'un ou
plusieurs fluides externes, tels que de l'air Plus particulierement,
un
echangeur de chaleur du type tubulaire a ailettes filamen-
taires est dispose lateralement par rapport a un conduit comportant
une entree d'air inferieure et une sortie d'air superieure,
l'agencement etant tel que de l'air penetrant par ladite entree passe
autour dudit element tubulaire et au travers desdites boucles et soit
ainsi chauffe avant d'etre decharge par ladite sortie De preference,
une ou plusieurs parois dudit conduit sont formees d'une matiere
thermiquement isolante puisque de la chaleur transmise par convection
naturelle peut etre sensiblement reduite s'il s'etablit une grande
transmission de chaleur au travers
d'une ou plusieurs des parois du conduit Cela est en parti-
culier le cas dans le mode de realisation de la fig 7
(decrit ci-dessus) et dans le cas de la paroi de conduit.
2 51 0246
La reduction de la convection naturelle necessaire peut etre imputee a
deux phenomenes, dont l'un ou bien les deux peuvent se derouler dans
l'un ou bien les deux ecoulements entrant et sortant du ou des
conduits Une reduction des effets de flottation peut etre produite par
une reduction des differences de densite entre les differentes parties
de l'ecoulement de fluide externe ou bien une recirculation dans un
conduit peut etre produite de maniere a reduire en fait la section
droite du conduit Dans l'un ou l'autre cas, la difficulte est attenuee
en prevoyant une paroi de conduit qui est thermiquement isolante Dans
certains cas,
il peut etre preferable d'isoler-plus de parois du conduit.
L'invention peut cependant etre mise en pratique de differentes
manieres Dans sa forme la plus simple, l'echangeur de chaleur est
utilise en tant que tel et le fluide interne est chauffe ou refroidi
par un fluide externe qui remplit l'environnement Il peut exister deux
fluides externes ou plus qui sont en contact thermique avec
differentes parties de l'echangeur de chaleur de maniere que de la
chaleur puisse etre transmise, entre les fluides externes, a l'aide
d'un fluide interne s'ecoulant a
l'interieur de l'element tubulaire.
Pendant le processus de transmission de chaleur, le fluide interne
peut echanger de la chaleur par une variation de temperature, par un
changement d'etat ou bien par une combinaison des deux moyens, ou bien
par d'autres moyens connus Un ou plusieurs des fluides externes
peuvent egalement etre contenus dans une ou plusieurs enceintes, dont
les temperatures doivent etre commandees Un element tubulaire'peut se
presenter sous la forme d'un tube de
chaleur ou d'un tube Perkins.
Conformement a un autre aspect de l'invention, un dispositif de
chauffage comprend une enceinte qui contient un premier fluide se
trouvant a une temperature relativement plus elevee que la temperature
d'un second fluide situe -a l'exterieur de l'enceinte; un element
tubulaire passe au travers d'une paroi de l'enceinte et comporte une
premiere partie-situee a l'interieur de ladite enceinte et une seconde
partie situee a l'exterieur de ladite enceinte, les surfaces externes
desdites premiere et seconde parties de l'element tubulaire comportant
des surfaces externes sur chacune desquelles est-enroulee une vis
formee d'une matiere filamentaire, ladite matiere filamentaire etant
enroulee sous forme de plusieurs boucles helicoidales qui sont en
contact thermique avec la surface externe respective desdites premiere
et seconde
parties de l'element tubulaire et qui s'etendent radiale-
ment vers l'exterieur a partir de celui-ci, ledit element tubulaire
renfermant un troisieme fluide qui est soumis a un changement de phase
lorsqu'il est chauffe, l'agencement etant tel que le troisieme fluide
soit chauffe par le premier fluide, au moyen de la premiere partie de
l'element tubulaire, de sorte que ce troisieme fluide est soumis a un
changement de phase et est transfere dans ladite seconde partie de
l'element tubulaire, ledit troisieme fluide etant ensuite refroidi par
le second fluide, au moyen de la seconde partie dudit element
tubulaire, et subissant un
changement de phase.
De preference, ladite seconde partie de l'ele-
ment tubulaire se trouve a un niveau plus eleve que la premiere
partie, de maniere a faire revenir le troisieme
fluide de la seconde partie dans ladite premiere partie.
En variante, on peut utiliser des agencements a-meches pour faire
revenir le troisieme fluide de la seconde partie dans
la premiere partie.
Comme mentionne ci-dessus, l'echangeur de chaleur du type tubulaire a
ailettes filamentaires peut etre place dans un ou plusieurs conduits
ouverts afin d'augmenter l'ecoulement du fluide externe, tel que de
l'air, en vue d'accroitre la transmission de chaleur Dans certains
cas, des performances elevees pour une section droite donnee
d'un conduit peuvent etre plus importantes que le cout.
La section droite est determinee par le produit de la
hauteur H du conduit par la largeur W, mesuree transversale-
ment a l'echangeur de chaleur et essentiellement horizontale-
ment ( cf Fig 5, decrite dans la suite) Il peut etre avantageux de
disposer dans un seul -conduit deux echangeurs
de chaleur ou plus, du type tubulaire a ailettes filamen-
taires ou bien d'autres types connus, de maniere que les elements
tubulaires constituent essentiellement une seule rangee pour
l'ecoulement de fluide externe ( tel que de l'air) lorsqu'il passe sur
les surfaces externes augmentees ou les ailettes filamentaires En
d'autres termes, un echangeur de chaleur " suivant " est place par
rapport a d'autres echangeurs de chaleur de maniere qu'il ne soit
essentiellement pas balaye par, ou place dans l'ecoulement de fluide
externe qui a ete prechauffe par un autre echangeur de chaleur Cela
est assez different des conceptions connues de dispositifs de
chauffage par convection dans lesquels, pour ameliorer les
performances, un second ou des echangeurs de chaleur suivants sont
balayes par un ecoulement de fluide externe essentiellement prechauffe
qui provient d'autres
echangeurs de chaleur situes en " amont ".
Conformement a un autre aspect de l'invention, un dispositif de
transmission de chaleur par convection naturelle comprend plusieurs
echangeurs de chaleur du type tubulaire a ailettes filamentaires,
lesdits echangeurs de
chaleur etant agences de maniere que leurs elements tubu-
laires respectifs s'etendent lateralement par rapport a un conduit
comportant une entree d'air inferieure et une sortie d'air superieure,
lesdits echangeurs de chaleur etant
disposes l'un par rapport a l'autre de maniere qu'un ecoule-
ment d'air qui penetre par ladite entree suive un trajet qui
joint les axes longitudinaux desdits elements tubulaires.
Ce dernier type d'agencement est difficile a-realiser effi-
cacement avec des structures a ailettes sous forme de
plaques comportant des entretoises marginales qui limitent-
la direction d'ecoulement du fluide externe.
Les echangeurs de chaleur peuvent etre disposes de toute maniere
appropriee pour obtenir comme effet
qu'aucun des echangeurs de chaleur ne soit pas place prati-
quement dans un ecoulement d'air respectif qui est chauffe par un
autre echangeur de chaleur En outre les echangeurs de chaleur peuvent
ou non comporter-des guides d'ecoulement
7 2510246
qui sont disposes entre eux De tels agencements permettent d'augmenter
la transmission de chaleur La ligne joignant les centres des elements
tubulaires d'une rangee peut etre essentiellement droite, horizontale,
en zig zag ou bien avoir toute autre configuration permettant
d'obtenir l'effet necessaire, et egalement de satisfaire a d'autres
conditions, par exemple une facilite de nettoyage, une protection
contre des dommages, etc. Le processus de transmission de chaleur peut
egalement etre ameliore en controlant la force d'ecoulement d'un
fluide externe provenant d'un autre processus de convection naturelle,
tel que le refroidissement de l'air
par une fenetre et le rideau d'air descendant en resultant.
Cette derniere caracteristique peut etre utilisee dans des agencements
o il est possible de faire varier dans une certaine mesure la
transmission de chaleur automatiquement
en fonction des besoins.
Conformement a un autre aspect de l'invention, un dispositif de
transmission de chaleur par convection naturelle comprend un evidement
qui est partiellement divise par une cloison thermiquement isolante en
une chambre d'entree d'air et une
chambre de sortie d'air, ladite cloison separatrice s'-eten-
dant vers le bas a partir de l'ouverture de l'evidement et en
direction du fond de ce dernier, dont elle est cependant espacee,
ladite chambre de sortie d'air contenant au-moins
un echangeur de chaleur.
De preference l'echangeur de chaleur comprend'un element tubulaire sur
la surface exterieure duquel est enroulee-une helice formee d'une
matiere filamentaire, ladite matiere filamentaire etant en contact
thermique avec la surface exterieure de l'element tubulaire et
s'etendant radialement vers l'exterieur a partir de celui-ci De
preference, ledit evidement a une etendue longitudinale lui
donnant une forme de canal qui s'etend dans une zone essen-
tiellement adjacente a au moins une paroi ou une fenetre d'une piece,
afin de recevoir, par l'intermediaire de ladite entree d'air, un
courant d'air relativement froid par comparaison a la temperature de
l'air ambiant dans ladite
10246
piece,-ledit courant d'air froid s'ecoulant vers le bas par rapport a
ladite paroi ou fenetre On peut fixer les moyens de guidage sur ladite
ouverture de l'evidement, soit pour canaliser de l'air relativement
froid vers la chambre d'entree, soit pour permettre a une partie de
l'air chaud provenant de la chambre de sortie de revenir vers
l'arriere
en direction de la chambre d'entree Cet air plus froid-
augmente notablement la transmission de-chaleur.
La cloison separatrice peut s'etendre vers le haut par rapport a
l'ouverture de l'evidement et une plaque de guidage peut etre fixee
sur le prolongement dirige vers le haut de maniere a s'etendre
lateralement au-dessus des
chambres d'entree et de sortie.
Il est possible d'assurier un certain degre d'auto-regulation en
permettant un recyclage d'une grande ou faible proportion de
l'ecoulement d'air sortant en
-direction de l'ecoulement entrant, lorsque l'ecoulement-
entrant et l'ecoulement sortant sont proches l'un de l'autre, et en
particulier dans le cas o un rideau d'air froid descend dans une zone
adjacente a une paroi ou une fenetre en direction de l'entree d'air,
comme mentionne ci-dessus Cependant une recirculation est indesirable
lorsqu'il est necessaire d'avoir une transmission maximale de chaleur
Il est possible de reduire la recirculation ou reflux de l'ecoulement
sortant chauffe en divisant cet ecoulement sortant soit par
inclinaison d'une grille, soit par une separation physique de
l'ecoulement entrant et de
l'ecoulement sortant, soit par une desagregation de l'ecou-
lement sortant en creant une petite perturbation dans cet ecoulement
de facon a produire son brassage vers le haut, soit en faisant appel a
une combinaison quelconque des
moyens precites.
Lorsqu'il est necessaire de recouvrir un ou plusieurs des ecoulements
d'air entrant ou sortant par une
grille ou une autre forme d'element extreme, il est souhai-
table de reduire au minimum les variations d'angle et/ou de vitesse
que subissent les ecoulements Un avantage general d'au moins les modes
preferes de realisation de l'invention
10246
consiste en ce que l'utilisation de fils metalliques pour augmenter la
ou les surfaces de l'element tubulaire, c'est a dire les ailettes
filamentaires, permet d'obtenir non seulement une structure se pretant
a de grandes variantes geometriques mais qui facilite la fabrication
de telles variantes En outre, la nature discontinue de la surface
augmentee peut se traduire par un plus grand coefficient de
transmission de chaleur que dans le cas d'ailettes du type en forme de
plaques ou de rubans L'addition d'un ou plusieurs conduits augmente
encore le nombre de variantes et permet d'obtenir une meilleure
optimisation L'utilisation de surfaces augmentees en fils metalliques
a l'interieur de l'element tubulaire ameliore en outre le contact
thermique entre les fluides interne et externe Cela est notamment le
cas lorsque le fluide interne, tel que de l'huile ou de
l'air comprime, possede de mauvaises proprietes de trans-
mission de chaleur.
Chacun des modes de realisation qui vont etre decrits dans la suite
peut etre combine de toute maniere
connue qui soit compatible ou bien il est possible d'utili-
ser lesdits modes de realisation independamment l'-un de l'autre.
D'autres avantages et caracteristiques de l'invention seront mis en
evidence dans la suite de la
description, donnee a titre d'exemple non limitatif, en
reference aux dessins annexes dans lesquels:
la fig 1 est une vue en elevation et en coupe d'un echan-
geur de chaleur comprenant un element tubulaire pourvu d'une
surfaceaugmentee par des ailettes filamentaires ou des boucles de fil,
la fig 2 est une vue en elevation laterale du mode de realisation de
la fig 1, la fig 3 est une vue en elevation et en coupe d'un moyen de
transmission de chaleur comportant deux parties pourvues
de surfaces augmentees se presentant sous la forme d'ailet-
tes filamentaires ou de boucles de fil, une partie etant placee a
l'interieur d'une enceinte et l'autre partie a l'exterieur de ladite
enceinte,
10246
la fig 4 est une vue en plan et en coupe du mode de realisation de la
fig 3,
la fig 5 est une vue en elevation et en coupe d'un echan-
geur de chaleur place dans un conduit, la fig 6 est une vue en
elevation et en coupe d'un mode de realisation semblable a celui de la
fig 5 mais auquel est ajoute un'couvercle coude, la fig 7 est une
coupe d'un echangeur de chaleur place dans un conduit ou un canal
situe a proximite d'une fenetre, la fig 8 est une vue en coupe
partielle, faite suivant un diametre d'un tube de transmission de
chaleur, de facon a mettre en evidence-les dimensions 1, u et v, la
fig 9 est une vue en coupe d'un mode de reaisation d'un dispositif de
chauffage dans lequel un seul conduit contient plusieurs echangeurs de
chaleur du type tubulaire a ailettes filamentaires, la fig 10 est une
vue en coupe d'un mode de realisation qui constitue un cas particulier
du mode de realisation de la fig 9, la fig Il represente un autre
agencement d'echangeurs de chaleur dans lequel les centres des
elements tubulaires ne sont pas situes essentiellement sur une ligne
droite, la fig 12 represente un mode de realisation qui constitue une
variante du mode de realisation de la fig 7, la fig 13 represente un
mode de realisation qui constitue
une autre variante du mode de realisation de la fig 7.
Sur les dessins, pour faciliter le dessin, on a represente un
echangeur de chaleur du type tubulaire a
ailettes filamentaires, comme defini ci-dessus, schematique-
ment par des cercles concentriques Le cercle interieur represente la
section droite de l'element tubulaire, par exemple un tube en copper,
tandis que le cercle exterieur represente la lisiere ou l'enveloppe
d'une helice formee d'une matiere filamentaire, ladite matiere
filamentaire
etant enroulee sous forme d'une pluralite de boucles helicoi-
dales qui sont en contact thermique avec la surface externe de
l'element tubulaire et qui s'etendent radalement vers l'exterieur a
partir de celuici La fig 8 represente par
10246
il exemple une coupe longitudinale dans laquelle seules les
boucles situees dans le plan de la coupe ont ete representees.
En reference aux figures 1 et 2, un element tubulaire 1 contient un
fluide interne 2 s'ecoulant comme indique et qui peut etre de l'water
chaude Des ailettes filamentaires 3, formees d'un fil de copper par
exemple, sont fixees sur l'element tubulaire l dans une relation de
conduction de chaleur Un fluide externe 4 est chauffe par les ailettes
3 et s'ecoule vers le haut sous l'effet d'une convection naturelle
afin d'evacuer de la chaleur du
fluide interne 2.
En reference aux figures 3 et 4, un element tubulaire 5 canalise un
fluide interne 6 qui est soumis-a un changement de phase, comme un
dispositif a thermo-siphon a
deux phases L'element 5 traverse la paroi d'une enceinte 7.
Des-ailettes filamentaires 8 du type defini dans la presente
description sont fixees sur l'element 5 a l'interieur de
l'enceinte et les ailettes filamentaires semblables 9 sont fixees sur
l'element 5 a l'exterieur de l'enceinte La temperature ambiante
regnant a l'interieur de l'enceinte est plus elevee que la temperature
ambiante a l'exterieur de l'enceinte De la chaleur est transferee de
l'interieur vers l'exterieur de l'enceinte 7 par la convection
naturelle du fluide externe 10 a l'interieur de l'enceinte 7 et du
fluide externe ii a l'exterieur de l'enceinte 7 L'element 5
et le fluide interne 6 agissent comme un dispositif a thermo-
siphon a deux phases Le fluide 6 entre en ebullition lorsqu'il est
chauffe indirectement par le fluide 10 et il se condense lorsqu'il est
refroidi indirectement par le fluide 1 l L'element 5 est incline,
comme le montre la fig.
3, de maniere que le condensat soit recycle par gravite.
Cependant, on peut utiliser des agencements a meches, tels que ceux
employes dans des tubes chauffants, ou d'autres
moyens pour renvoyer le condensat.
Le mode de realisation represente sur la fig 5 est semblable a celui
des fig 1 et 2 et il est prevu additionnellement une paroi 12 ainsi
qu'une paroi de conduit
13 pour canaliser le fluide externe 4.
10246
Le mode de realisation de la fig 6 est
semblable a celui de la fig 5 et il est prevu additionnel-
lement un couvercle coude 14 pour reduire la penetration de corps
etrangers Pour une hauteur totale donnee du dispositif et pour obtenir
des performances optimales, il faut etablir un equilibre entre
l'etrafiglement minimal de l'ecoulement d'air et la hauteur effective
minimale du conduit. Sur la fig 7, on a represente un mode de
realisation dans lequel un echangeur de chaleur du type tubulaire a
ailettes filamentaires ( 1, 2, 3), ou bien d'un autre type ( notamment
du type classique comportant des ailettes en forme de plaques ou de
rubans) est place dans un auget 15 dans une zone adjacente a une
fenetre ou une autre surface froide 16 L'auget est agence sous la
forme d'un conduit profile en U par une cloison separatrice 17, qui
est de preference concue de maniere a empecher un
passage de chaleur au travers d'elle La cloison separa-
trice porte un couvercle 18, un intervalle etant prevu entre
les structures 19 et 20 Un courant d'air froid 21, s'ecou-
lant vers le bas en 16, passe partiellement ou completement en dessous
de 18 puis il passe dans le conduit situe devant l'echangeur de
chaleur ( 1, 2, 3) et il sort par l'intervalle existant entre le
couvercle 18 et la structure 20 Dans cet agencement, lorsqu'il est
necessaire d'augmenter la chaleur sortante dans des conditions plus
froides, le conduit d'entree existant entre la cloison separatrice 17
et la structure 19 est plus completement rempli du fait de la plus
grande force de l'air 21 Puisquel'air 21 est plus froid que l'air
ambiant se trouvant dans l'espace a chauffer, cette plus grande
difference de temperature-entre l'air entrant et le ou les echangeurs
de chaleur augmente la chaleur sortante qui serait autrement
disponible Cela est particulierement important dans des cas o
l'echangeur de chaleur fonctionne dans des conditions-plus froides Si
le courant froid 21 est tres faible, c'est a dire dans des conditions
o une grande quantite de chaleur n'est pas necessaire, il se produit
une certaine recirculation d'air
10246
chauffe entre l'intervalle de sortie existant entre le couvercle 18 et
la structure 20 et l'intervalle d'entree existant entre le couvercle
18 et la structure 19 Cela reduit automatiquement la chaleur fournie a
la sortie et en consequence il s'etablit un certain degre
d'auto-regulation. Sur la fig 9, on a represente plusieurs echangeurs
de
chaleur 22, 22 ', 22 ", du type tubulaire a ailettes filamen-
taires comme decrit ci-dessus, ou bien d'autres types connus
appropries, ces echangeurs etant disposes dans un conduit comprenant
les elements 12 et 13 deja decrits La ligne
joignant les centres des elements tubulaires est essentiel-
lement droite et elle fait un angle " avec l'horizontale
cet angle O &#x003C; etant de preference compris entre O et 900.
L'air 23, qui se deplacerait normalement verticalement dans le
conduit, est devie par la perte de charge creee dans les echangeurs de
chaleur d'un angle p par rapport a la verticale, cet angle B etant tel
que O 4 p 4 " La largeur effective du conduit o l'air passe entre les
elements tubulaires est augmentee d'un facteur l/cosp, et en
consequence la vitesse de l'air et la perte de charge sont diminuees
En outre, en disposant plusieurs echangeurs
de chaleur 22, etc, la longueur des ailettes ( filamen-
taires) peut etre raccourcie et il en resulte, en combinaison avec la
diminution de la vitesse de l'air, une augmentation de l'efficacite
des ailettes Tous ces effets augmentent
les performances La valeur optimale de X est mieux deter-
minee experimentalement.
Pour ameliorer l'ecoulement d'air, les echangeurs
de chaleur peuvent etre separes par des guides 24, 24 '.
La fonction des guides est d'amener la valeur de,8 aussi pres que
possible de la valeur de O i Les parois de conduit 12 et 13 peuvent
egalement etre incurvees au voisinage des echangeurs de chaleur, comme
indique en 12 " et
13 ", de la meme facon que les guides Cependant des consi- derations
pratiques peuvent imposer qu'on se passe des elements 24, 24 ',
12 " et 13 " et que les elements 12 et 13
soient places a proximite des echangeurs dle chaleur exte-
rieurs. Sur la fig 10, on a represente en coupe partielle une
adaptation du mode de realisation de la fig.
9 dans le cas o O &#x003C; est essentiellement egal a 90 degres -
Un rebord inferieur 25 est etabli par le conduit de maniere qu'un
intervalle puisse etre maintenu en arriere-de chaque echangeur de
chaleur Le rebord 25 peut egalement etre prevu dans des cas o C est
inferieur a 90 degres Cela cree un intervalle en arriere de l'edangeur
de chaleur le plus
bas, qui peut egalement recevoir alors un guide approprie.
Bien que le mode de realisation de la fig 10 ait un aspect
superficiellement semblable a celui de constructions connues, o
plusieurs echangeurs de chaleur peuvent etre empiles verticalement
l'un au-dessus de l'autre dans un conduit, son action en ce qui
concerne l'ecoulement d'air
est effectivement tout a fait differente Dans les construc-
tions connues, le second echangeur de chaleur et les echangeurs
suivants sont balayes essentiellement par un fluide externe
prechauffe, dans ce cas de l'air, comme decrit-ci-dessus Ces
constructions connues utilisent dlune facon tis inefficace des
echangeurs de chaleur additionnels du fait qu'on ne peut augmenter les
performances que faiblement, par exemple seulement de 5 % Cependant le
mode de realisation de la fig 10 est particulierement efficace pour
produire des performances comparativement elevees a partir d'un
conduit etroit Les parois incurvees 12 "' et 13 "' sont destinees a
ameliorer l'ecoulement et des guides peuvent egalement etre prevus
entre les echangeurs de
chaleur, la reference 23 indiquaut un trajet typique d'ecou-
lement de l'air.
3 Q Sur la fig 11, on a represente un mode de realisation comportant
plusieurs echangeurs de chaleur 26, 26 ', etc et qui permet d'obtenir
un agencement encore plus comp-act, en particulier pour de faibles
valeurs de c Bien que les centres des elements tubulaires soient
situes sur une ligne faisant dans l'ensemble un angle c O avec
l'horizontale, comme dans le cas de la fig 9, il est prevu un angle
supplementaire de quinconcage, designe par Y et qui permet de grouper
les echangeurs de chaleur le long d'une ligne encore plus courte On
doit choisir l'angle ' de maniere que la transmission de chaleur
puisse etre optimale pour des parametres donnes de conception, tels
que la hauteur de conduit, sa largeur et des conditions operatoires
donnees Si necessaire,-des guides, non representes, peuvent etre
places entre les echangeurs de chaleur, comme indique par la reference
24 sur la fig 9, mais ils sont adaptes a l'agencement particulier des
echangeurs-de chaleur. Sur la fig 12, on a represente une modification
du mode de realisation de la fig 7 et dans ce cas, l'auget
est place a proximite etroite de la surface froide 16.
Cela augmente la probabilite de remplissage du conduit
d'entree par de l'air froid 21 sous l'effet de la force du-
rideau d'air descendant Jl est prevu une-grille d'entree
27 comportant des fentes orientees essentiellement verticale-
ment et en outre il est prevu une grille de sortie 28 comportant des
fentes inclinees de facon appropriee pour
reduire le risque de recirculation de l'air sortant.
Sur la fig 13, on a represente un mode de realisation qui differe
essentiellement de celui de'la fig 7 en ce qu'il est prevu des grilles
inclinees 28 et 29
qui fournissent un autre moyen de reduction de la recircula-
tion de l'air de la sortie vers l'entree L'une quelconque des
caracteristiques decrites dans cette demande de brevet
peut etre combinee avec d'autres de toute maniere compatible.
En outre, une des parois de conduit peut etre formee d'un materiau
thermiqpement isolant, comme en 17 Le fluide
interne est avantageusement constitue par de l'water.
Z 510246
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Echangeur de chaleur,_ comprenant au moins un element tubulaire ( 1;
5) sur une surface exterieure
duquel est enroulee une helice formee d'une matiere filamen-
taire, ladite matiere filamentaire etant enroulee sous forme de
plusieurs boucles helicoidales ( 3; 9) qui sont en contact thermique
avec la surface exterieure dudit element tubulaire et qui s'etendent
radialement vers
l'exterieur a partir de celui-ci, la structure de l'echan-
geur de chaleur etant caracterisee par les relations' suivantes: F 1
inferieur a sy d 3/1 inferieur a F 2 &#x003E; et r inferieur a m l
inferieur a r 2 2 o sy d 3/1 est exprime en unites de force et sy
designe la contraintenominale de la matiere filamentaire (Newtons/ cm
2) Fi = 2 Newtons ( valeur preferee) F 2 = 4 Newtons (valeur preferee)
d designe le diametre de ladite matiere filamentaire (cm) 1 designe la
dimension radiale de ladite boucle (cm) m.l est sans dimension
m = ( 4 h)/(k d)-
h est le coefficient moyen de transmission de chaleur de film entre
une ailette en fil et un fluide exterieur (KW cm 2 deg C-1), k designe
la conductibilite thermique de ladite matiere filamentaire, (KW cmi l
deg C 1) r 1 = 0,5 ( valeur preferee, sans dimension):
r 2 = 2,0 ( valeur preferee, sans dimension).
2 Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caracterise en ce que
la distance moyenne entre des parties de la matiere filamentaire dans
chacune desdites boucles ( 3; 9) mesuree transversalement a l'axe
longitudinal dudit element tubulaire, est essentiellement egale a
l'espacement
entre des spires adjacentes de ladite helice.
3 Echangeur de chaleur comprenant au moins un element tubulaire ( 1;
5) sur la surface exterieure duquel est enroulee une helice formee
d'une matiere filamentaire, ladite matiere filamentaire etant enroulee
sous la forme d'une pluralite de boucles helicoidales ( 3; 9),
lesdites
boucles etant en contact thermique avec la surface exte-
rieure de l'element tubulaire et s'etendant radialement
vers l'exterieur a partir de celui-ci, caracterise en ce-
que ledit element tubulaire s'etend lateralement par rapport a un
conduit comportant une entree inferieure d'air et une entree
superieure d'air, l'agencement etant tel que l'air penetrant par
ladite entree passe autour de l'element tubulaire et au travers
desdites boucles et soit ainsi
chauffe avant d'etre decharge par ladite sortie.
4 Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caracterise en ce
qu'une ou plusieurs parois ( 12, 13) dudit
conduit sont formees d'une matiere thermiquement isolante.
Dispositif pour transmettre de la chaleur par convection
naturelle,caracterise en ce qu'il comprend plusieurs echangeurs de
chaleur ( 22, 22 ', 22 "), en ce que chacun desdits echangeurs de
chaleur comprend un element tubulaire ( 1; 5) sur la surface
exterieure duquel est enroulee une helice formee d'une matiere
filamentaire, ladite matiere filamentaire etant enroulee sous la forme
dune pluralite de boucles helicoidales &#x003C; 3; 9) qui sont en
contact thermique avec la surface exterieure dudit element tubulaire
et qui s'etendent radialement vers l'exterieur a partir de celui-ci,
lesdits echangeurs de chaleur etant agences de maniere que leurs
elements tubulaires respectifs s'etendent lateralement par rapport a
un conduit comportant une entree inferieure d'air et une entree
superieure d'air et lesdits echangeurs de chaleur etant disposes l'un
par rapport a l'autre de maniere qu'un ecoulement d'air qui penetre
par ladite entree se deplace suivant un trajet-qui
joint les axes longitudinaux desdits elements tubulaires.
6 Dispositif pour transmettre de la chaleur par convection naturelle,
caracterise en ce qu'il comprend plusieurs echangeurs de chaleur ( 22,
22 ', 221 v), en ce que chacun desdits echangeurs de chaleur comprend
un element tubulaire sur la surface exterieure duquel est enroulee une
10246-
helice formee d'une matiere filamentaire, ladite matiere filamentaire
etant enroulee sous la forme d'une pluralite de boucles helicoidales (
3;9) qui sont en contact thermique avec la surface exterieure dudit
element tubulaire et qui s'etendent radialement vers l'exterieur a
partir de celui-ci, lesdits echangeurs de chaleur etant agences de
maniere que leurs elements tubulaires respectifs s'etendent
lateralement par rapport a un conduit comportant une entree inferieure
d'air et une entree superieure d'air et lesdits echangeurs de chaleur
etant disposes l'un par rapport a l'autre de telle sorte qu'aucun
desdits echangeurs de chaleur ne soit place pratiquement dans le
trajet d'un ecoulement d'air
respectif chauffe par un autre echangeur de chaleur.
7 Dispositif selon l'une des revendications 5 ou
6, caracterise en ce que l'entree inferieure d'air dudit conduit est
situee dans un plan essentiellement vertical et en ce que les
echangeurs de chaleur sont disposes, l'un au-dessus de l'autre, dans
des positions adjacentes a ladite
entree d'air.
8 Dispositif selon l'une des revendications 5 ou
6, caracterise en ce que lesdits echangeurs de chaleur sont decales
transversalement l'un par rapport a l'autre
dans ledit conduit.
9 Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce que les axes
longitudinaux desdits elements tubulaires desdits echangeurs de
chaleur sont situes essentiellement
sur un plan incline.
Dispositif selon la revendication 8, caracterise en ce que les axes
longitudinaux des elements tubulaires
sont situes essentiellement sur une ligne en zig zag.
11 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-
tions 5 a 10, caracterise en ce qu'un ou plusieurs guides ( 24, 24 ')
s'etendent a partir d'emplacements respectifs entre les echangeurs de
chaleur et vers l'interieur par rapport audit conduit de maniere a
canaliser l'air chauffe par
les echangeurs de chaleur respectifs ( 22, 22 ', 22 ").
12 Dispositif pour transmettre de la chaleur par convection naturelle,
caracterise en ce qu'il comprend un evidement qui est partiellement
divise par une cloison separatrice thermiquement isolante ( 17) en une
chambre d'entree d'air et une chambre de sortie d'air, ladite cloison
separatrice s'etendant vers le bas a partir de l'ouverture de
l'evidement en direction du fond de ce
dernier, mais en etant espacee de celui-ci, ladite chambre-
de sortie d'air contenant au moins un echangeur de chaleur.
13 Dispositif selon la revendication 12, caracte-
rise en ce que l'echangeur de chaleur est un element
tubulaire ( 1; 5) sur la surface exterieure duquel est.
enroulee une helice formee d'une matiere filamentaire, ladite matiere
filamentaire etant en contact thermique avec la surface exterieure
dudit element tubulaire et s'etendant
radialement vers l'exterieur a partir de celui-ci.
14 Dispositif selon l'une des revendications 12 ou
13, caracterise en ce que ledit evidement est un canal s'etendant dans
une zone essentiellement adjacente a au moins une paroi ou fenetre
d'une piece de maniere a recevoir, dans ladite entree d'air, un
courant d'air relativement froid, par comparaison a la temperature de
l'air ambiant se trouvant dans ladite piece, ledit courant s'ecoulant
vers le bas de
ladite paroi ou fenetre.
Dispositif selon l'une quelconque des revendica-
tions 12 a 14, caracterise en ce qu'un moyen de guidage ( 24, 24 ')
est fixe sur ladite ouverture dudit evidement de maniere a guider de
l'air relativement froid vers ladite
chambre d'entree d'air.
16 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-
tions 12 a 14, caracterise en ce qu'un moyen de guidage ( 24, 24 ')
est fixe sur ladite ouverture dudit evidement de maniere a reduire
l'ecoulement d'air chaud en reflux de
ladite chambre de sortie vers ladite chambre d'entree.
17 Dispositif selon l'une quelconque des revendica-
tions 12 a 14, caracterise en ce que ladite cloison separa-
trice ( 17) s'etend eg Sement vers le haut de l'ouverture de
l'evidement, une plaque de guidage etant fixee sur ledit prolongement
oriente vers le haut et s'etendant lateralement
au-dessus desdites chambres d'entree et de sortie d'air.
18 Dispositif pour transmettre de la chaleur par convection naturelle,
caracterise en ce qu'il comprend une enceinte qui contient un premier
fluide se trouvant a une
temperature relativement plus elevee que la temperature d'un-
second fluide exterieur a l'enceinte, un element tubulaire passant au
travers d'une paroi de l'enceinte et comportant une premiere partie
situee a l'interieur de l'enceinte et une seconde partie situee a
l'exterieur de l'enceinte, les surfaces exterieures desdites premiere
et seconde parties dudit element tubulaire comportant des surfaces
exterieures sur chacune desquelles est enroulee une helice
formee d'une matiere filamentaire, ladite matiere filamen-
taire etant enroulee sous la forme d'une pluralite de boucles
helicoidales qui sont en contact thermique avec les surfaces
exterieures respectives desdites premiere et seconde parties dudit
element tubulaire et qui s'etendent radialement vers l'exterieur par
rapport a celui-ci, ledit element tubulaire renfermant un troisieme
fluide qui est soumis a un changement de phase lorsqu'il est chauffe-,
l'agencement etant tel que le troisieme fluide est chauffe par le
premier fluide au moyen de ladite premiere partie de l'element
tubulaire afin que le troisieme fluide soit soumis a un changement de
phase et soit transfere dans la seconde partie de l'element tubulaire,
ledit troisieme fluide etant refroidi par le second fluide au moyen de
la seconde partie de l'element tubulaire et etant soumis a un
changement de
phase pour revenir dans la phase d'origine.
19 Dispositif selon la revendication 18, caracterise en ce que ladite
seconde partie de l'element tubulaire se trouve a un-niveau plus eleve
que la premiere partie pour ramener le troisieme fluide de la seconde
partie dans la
premiere partie.
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