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WO2008015314A1 - Echangeur thermique - Google Patents

Echangeur thermique Download PDF

Info

Publication number
WO2008015314A1
WO2008015314A1 PCT/FR2006/001870 FR2006001870W WO2008015314A1 WO 2008015314 A1 WO2008015314 A1 WO 2008015314A1 FR 2006001870 W FR2006001870 W FR 2006001870W WO 2008015314 A1 WO2008015314 A1 WO 2008015314A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
heat exchange
exchanger according
liquid
cavity
Prior art date
Application number
PCT/FR2006/001870
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Bignon
Original Assignee
Pierre Bignon
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierre Bignon filed Critical Pierre Bignon
Priority to CA002659181A priority Critical patent/CA2659181A1/fr
Priority to AU2006346920A priority patent/AU2006346920A1/en
Priority to EP06794262A priority patent/EP2052200B1/fr
Priority to PCT/FR2006/001870 priority patent/WO2008015314A1/fr
Priority to JP2009522292A priority patent/JP2009545718A/ja
Priority to CN2006800559086A priority patent/CN101568789B/zh
Priority to DE602006012560T priority patent/DE602006012560D1/de
Priority to AT06794262T priority patent/ATE458977T1/de
Publication of WO2008015314A1 publication Critical patent/WO2008015314A1/fr
Priority to US12/361,769 priority patent/US20090139700A1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/103—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of more than two coaxial conduits or modules of more than two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/20—Other positive-displacement pumps
    • F04B19/24—Pumping by heat expansion of pumped fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/08—Fluid driving means, e.g. pumps, fans

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger used to generate a liquid under pressure under the effect of its expansion, in particular in a pump. It is known in the prior art, in particular by patent applications
  • A-2,851,796 and WO-A-2004/079194 a hydraulic pump and a hydraulic installation implementing such a pump.
  • the hydraulic system thus comprises a hydraulic pump, a hydraulic fluid reservoir and a hydraulic motor.
  • the hydraulic pump comprises at least one pumping piston and a driving piston constituted by two stages of the same differential piston.
  • the pumping piston defines a pumping chamber in a pumping cylinder and the driving piston defines a driving chamber in a driving cylinder.
  • the pumping piston and the driving piston are interconnected by kinematic connecting means so that an increase in the volume of the driving chamber corresponds to a reduction in volume of the pumping chamber and vice versa.
  • the pumping chamber is hydraulically connected to the hydraulic fluid reservoir of the plant and the hydraulic motor of the plant, which is fed by the hydraulic pump.
  • the driving chamber of the pump is hydraulically connected to a tubular heat exchange bundle.
  • a high coefficient of thermal expansion fluid is present in the drive chamber and the heat exchange tubular bundle. This liquid with a high coefficient of thermal expansion is placed in heat exchange relation alternately with a hot source and with a cold source.
  • the liquid with a high coefficient of thermal expansion alternately undergoes thermal expansion and thermal contraction, which respectively causes the volume of the drive chamber to increase to the detriment of that of the pumping chamber, which forces the hydraulic fluid towards the hydraulic motor then to the tank of the installation, or the reduction of the volume of the driving chamber, which causes the aspiration of hydraulic fluid from the tank of the installation.
  • a pumping effect is then obtained by alternating the discharge and suction movements of the hydraulic fluid.
  • the tubular heat exchange bundle consists of a bundle of vertical tubes closed at their lower end and communicating with each other at their upper end by a manifold into which a connecting pipe with the driving chamber opens.
  • the tubular heat exchange bundle is placed inside a tray divided by a horizontal partition.
  • This partition thermally insulating, is pierced by holes allowing each tube to cross the partition from side to side while ensuring a seal as good as possible between the partition and the tubes.
  • the tank is thus divided into a lower chamber comprising a circulating cold heat transfer fluid and an upper chamber comprising a circulating hot heat transfer liquid.
  • the tabular heat exchange beam is thus alternately put in heat exchange relation with the cold heat transfer fluid and with the hot heat transfer fluid by vertical displacement back and forth inside the tray. This vertical back and forth movement is provided by a jack.
  • the alternative thermal expansion and contraction experienced by the high thermal expansion fluid causes alternative expansion and contraction of the heat exchange tabular beam, which tends to stretch each tube, ultimately leading to fatigue of the tubes constituting the tabular bundle.
  • the object of the invention is therefore to provide a heat exchanger for long withstanding strong mechanical stresses.
  • a heat exchanger comprising a plurality of tabular elements or cores each comprising:
  • a support cylinder or half-cylinder at least one heat-exchange curved plate, each plate separating a first cavity from a second cavity, the first cavity containing a liquid and the second cavity receiving a heat-transfer fluid causing the dilation or the thermal contraction of the plate, and thus respectively the compression or the depression of the liquid of the first cavity, - an external tube or half-tube.
  • the liquid has a high coefficient of thermal expansion.
  • the outer tube or half-tube, the heat exchange plate (s) and the support cylinder or half-cylinder have decreasing diameters.
  • the first and second cavities are delimited, on the one hand, by one of the heat exchange plates and, on the other hand, by the support cylinder or half-cylinder or the tube or half-tube of external holding, the heat exchange plate (s), the support cylinder or half-cylinder and the external holding tube or half-tube being concentric.
  • each tabular element is closed at each of its ends by a flange, one of said flanges being adapted to allow the circulation of the liquid through the flange and the other flange prohibiting this circulation.
  • each tabular element is closed at each of its ends by a flange, at least one of said flanges being adapted to allow the circulation of (the) heat transfer fluid (s) through the flange.
  • said flanges are adapted to allow the alternating circulation of a heat transfer fluid heated by a hot source and a heat transfer fluid cooled by a cold source.
  • one of the heat exchange plates is provided with a plurality of first fins in contact with the liquid.
  • one of the heat exchange plates is provided with a plurality of first fins in contact with a coolant.
  • one of the heat exchange plates is provided with a plurality of second fins in contact with a coolant.
  • the different tabular elements are parallel to each other.
  • the various tabular elements are held together by means of flanges each enclosing a tabular element and fixed to a threaded rod located between at least two tabular elements.
  • the various tabular elements are held together by means of flanges each enclosing a tabular element and welded together.
  • the various tabular elements are held together by means of flanges each enclosing a tabular element and brazed together.
  • each tubular element or core further comprises heat transfer fluid lines, as well as spray nozzles adapted to spray the heat transfer fluid from the coolant pipes to the heat exchange plate.
  • the invention also relates to a pump comprising:
  • a pumping piston adapted to actuate a control means by the movement of a fluid
  • a driving piston connected by kinematic means to the pumping piston and adapted to be actuated by a movement of the liquid of the heat exchanger described above,
  • the pump further comprises a bypass adapted to alternately pass a heat-transfer fluid heated under pressure by the hot source and a coolant cooled at atmospheric pressure by the cold source in the tabular elements or cores of the heat exchanger.
  • the invention also relates to an installation comprising:
  • FIG. 1 a perspective view of a tabular element of the heat exchanger according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 a cross sectional view of the heat exchanger according to a fourth embodiment of the invention.
  • Identical references in the various figures denote similar or equivalent elements.
  • the heat exchanger comprises a plurality of tabular elements.
  • Each tabular element comprises a support cylinder, at least one curved heat exchange plate separating a first cavity from a second cavity, and an external holding tube.
  • the first cavity contains a liquid and the second cavity receives a heat transfer fluid causing the expansion or thermal contraction of the plate, and thus the compression or the depression of the liquid of the first cavity.
  • the heat exchange plate expands or contracts by contact with the coolant as a function of the temperature of the heat transfer fluid (s) circulating in the heat exchanger, resulting in compression or depression of the heat transfer fluid. first cavity and therefore the liquid contained in this first cavity.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a tabular element of the heat exchanger according to a first embodiment of the invention.
  • the heat exchanger comprises a plurality of tubular elements.
  • each tabular element 1 comprises an outer holding tube 6 containing two heat exchange plates 3 C , 3 f , called the outer plate and the inner plate, respectively, which themselves contain a support cylinder 2.
  • the heat exchange plates 3 C , 3 f are cylindrical.
  • the support cylinder 2 is for example a solid cylinder.
  • the outer holding tube 6, the two heat exchange plates 3 C , 3 f and the support cylinder 2 are substantially concentric.
  • the liquid 4 has a high coefficient of thermal expansion.
  • the heat exchange plates allow a heat exchange between the coolant and the liquid 4.
  • the liquid 4 expands or contracts depending on the temperature of the heat exchange fluid (s) circulating in the heat exchanger thermal, which causes the expansion or thermal contraction of the liquid 4.
  • the compression or depression created is then even greater in the case where the liquid is not high thermal expansion coefficient and where the compression or the depression of the liquid 4 is only due to the thermal expansion or contraction of the heat exchange plates.
  • Two other cavities respectively formed between one of the plates 3 C and the tube 6 for external retention and between the other plate 3 f and the support cylinder 2, respectively receive a hot coolant 5 C and a heat transfer fluid 5 f cold in the liquid state.
  • One of the aims of the heat exchanger according to the invention is to compress or depressurize the liquid 4 by heat exchange of the plates with the coolant fluids 5 C , 5 f , the liquid however must constantly remain in the liquid state. So that this heat exchange is optimized, especially in time, these plates 3 C , 3f are made of material having a very good thermal conductivity, namely metal. This also allows a good heat exchange with the liquid 4, which is important especially when the liquid 4 is high coefficient of thermal expansion.
  • the outer support tube 6 and the support cylinder 2 consist of materials that are very resistant to pressure. Thus, they are for example, but not limited to, carbon composite material, filament windings or glass.
  • the materials have the advantage of having a poor thermal conductivity (for example between 0.034 W / mK and 0.045 W / mK), which also makes it possible to greatly limit the heat losses towards the outside of the heat exchanger. In the case where no liquid with a high coefficient of thermal expansion is used, the heat losses can be limited by the use of a liquid having a poor thermal conductivity.
  • Important pressures are exerted in particular on the heat exchange plate in contact with the hot heat transfer medium C. This plate is thin: it is typically between a few tenths of a millimeter and several millimeters, depending on the nature of the metal constituting the plate and the size of the exchanger depending on the application.
  • the heat exchanger according to the invention makes it possible to use heat exchange plates of greater diameter for the same thickness, which resist much better to strong pressures, which allows to diversify the applications.
  • the diameter of the plates can be increased to a constant thickness either because the pressure is exerted from the outside towards the inside and not from the inside to the outside, or because the plates are helped to resist in their mechanical stresses.
  • the outer support tube 6 or the support cylinder 2 which are made of material resistant to high pressures. If the outer support tube 6 or the support cylinder 2 are metallic, it is necessary to protect them from heat to prevent their expansion, which would reduce the efficiency of the system. It may be envisaged to cool the outside of the holding tube by the fluid 5 f .
  • the outer support tube 6 and the support cylinder 2 are both made of metal, but the tubular element comprises at each of its ends a welded or brazed flange on the tube to allow these two elements 2 , 6 to withstand strong pressures.
  • the fluid 5 C hot coolant is contained between the tube 6 and the outer retaining plate 3 C external heat exchange, while the fluid 5 ⁇ - cold heat is contained between the plate 3 f internal heat exchange and the support cylinder 2.
  • the heat exchange plate 3 C when the heat exchange plate 3 C is expanded, the heat exchange plate 3 f will undergo a radial compressive stress.
  • the presence of the support cylinder 2 makes it possible to help said internal heat exchanger plate 3 t to resist this pressure stress exerted radially to the tabular element in the direction of the support cylinder 2.
  • the plate 3 f internal heat exchanger further comprises a plurality of first longitudinal ribs 31 located within the cavity containing the fluid 5 f cold coolant. These first fins 31 make it possible to withstand more easily the radial pressure stresses exerted on the tubular element under the effect of the expansion of the external heat exchange plate 3 C. These first fins are also used for positioning the support cylinder 2 substantially in the center of the internal plate 3 f .
  • the external heat exchange plate 3 C also comprises a plurality of second longitudinal fins 32 located inside the cavity containing the hot heat transfer medium C. These second fins 32 serve in particular to position the outer plate 3 C substantially in the center of the tube 6 holding.
  • the plate 3 C and 3 f are made of steel, the plate 3 C has for example a thickness of 3 mm and the plate 3 f of 1 mm.
  • the plate 3 C can then contain a pressure of 400 bar with the help of the tube 6 external support.
  • the plate 3 f can contain the same pressure as the plate 3 C despite its lower thickness because the pressure is exerted from the outside to the inside.
  • the 3 t -cylindrical heat exchange plate is alternately in contact with the cold coolant 5 f coming from the cold source and air when the cold coolant flow 5 f is stopped.
  • FIG. 2 represents a cross-sectional view of the heat exchanger according to a second embodiment of the invention.
  • the heat exchanger comprises a plurality of tabular elements 1.
  • Each tubular element 1 comprises an external holding tube 6 containing a single heat exchange plate 3 which, itself, contains a cylinder 2 of support.
  • the heat exchange plate 3 is, in a nonlimiting manner, cylindrical.
  • the support cylinder 2 is for example a solid cylinder.
  • the outer support tube 6, the the ⁇ nique exchange plate 3 and the support cylinder 2 are substantially concentric.
  • a first cavity is formed between the heat exchange plate 3 and the external holding tube 6 and a second cavity is formed between the heat exchange plate 3 and the support cylinder 2.
  • One of these cavities accommodates a liquid 4 while the other cavity accommodates a coolant 5.
  • the liquid 4 has for example a high coefficient of thermal expansion. It then allows a higher compression of the liquid with respect to the expansion only of the heat exchange plate, as explained above.
  • the heat exchange plate 3 is made of a material having a very good thermal conductivity, namely of metal so as to optimize the heat exchange.
  • the outer support tube 6 and the support cylinder 2 are made of materials resistant to high pressures and having a poor thermal conductivity such as, for example, a composite material made of carbon or with filament windings or glass.
  • coolant heat and cold fluid is injected alternately into the cavity for receiving said fluid.
  • the liquid 4 is contained between the outer holding tube 6 and the heat exchange plate 3, while the coolant 5 is contained between the heat exchange plate 3 and the support cylinder 2.
  • the heat exchange plate 3 further comprises a plurality of longitudinal first fins 31 located inside the cavity containing the liquid 4. These first fins 31 make it possible to increase the heat exchange surface.
  • the heat exchange plate 3 also comprises a plurality of second longitudinal fins 32 located inside the cavity containing the coolant 5. These second fins 32 serve, on the one hand, to position the support cylinder 2 substantially in the center of the plate 3 and, on the other hand, to withstand more easily large deformations that could result from pressure stresses exerted transversely to the pressure. tubular element under the effect of the expansion of the plate 3.
  • the tabular elements are substantially parallel to each other, and preferably vertical. They are preferably arranged in contact with each other, so as to limit energy losses, and for example so that their axes form trihedrons.
  • This arrangement of the tubular elements, as well as and their method of attachment described below, can also be applied to the tubular elements 1 according to the first and third embodiments of the invention.
  • Each tubular element 1 is enclosed by a flange, not shown, which is fixed to a threaded rod 7 located in the center of the trihedron.
  • each tabular element 1 is closed at each of its ends by a flange, not shown. Only one of said flanges must allow to circulate the liquid 4 through said flange. In particular, the flanges adapted to circulate the liquid 4 must all be arranged on the same side of the various tabular elements constituting the heat exchanger.
  • Figure 3 shows a longitudinal sectional view of the heat exchanger according to a third embodiment of the invention.
  • the heat exchanger comprises a plurality of tabular elements 1.
  • Each tabular element 1 comprises an external holding tube 6 containing a single heat exchange plate 3 which, itself, contains a cylinder 2 of support.
  • the heat exchange plate 3 is vertical and, in a nonlimiting manner, cylindrical.
  • the support cylinder 2 is for example a solid cylinder.
  • the outer support tube 6, the heat exchange plate 3 and the support cylinder 2 are substantially concentric.
  • a first cavity is formed between the heat exchange plate 3 and the external holding tube 6 and a second cavity is formed between the heat exchange plate 3 and the support cylinder 2.
  • One of these cavities accommodates a liquid 4 while the other cavity accommodates a coolant 5.
  • the liquid 4 has for example a high coefficient of thermal expansion. It then allows a higher compression of the liquid with respect to the expansion only of the heat exchange plate, as explained above.
  • the heat exchange plate 3 is made of a material having a very good thermal conductivity, namely of metal so as to optimize the heat exchange.
  • the liquid 4 is contained between the outer holding tube 6 and the heat exchange plate 3, while the coolant 5 is received between the heat exchange plate 3 and the support cylinder 2.
  • the heat exchanger further comprises between the support cylinder 2 and the cavity containing the coolant 5 two pipes 8, 9 bringing the fluid coolant hot or cold from the hot or cold source in the heat exchanger.
  • These pipes are thermally insulated from one another by a first separator 10 and are thermally insulated from the cavity containing the coolant by a second separator 11.
  • the separators are made of material with very low thermal conductivity, to avoid losses of heat.
  • Spray nozzles 12, 13 make it possible to spray the hot or cold heat transfer fluid through capillary channels passing through the separators 10, 11 from the pipes 8, 9 to the cavity initially filled with air and intended to contain the coolant. 5 hot or cold.
  • These capillary channels allow the atmospheric pressure to stop the heat transfer fluids just at the discharge port when the latter are liquid, and to reduce the flow path of the fluids from the control valves to the exchange plate 3 thermal.
  • This spraying is substantially radial and allows rapid and complete spraying of the heat exchange plate 3.
  • Figure 4 shows a cross-sectional view of the heat exchanger according to a fourth embodiment of the invention.
  • the heat exchanger comprises a plurality of cores 101.
  • Each core 101 comprises two elements 107 symmetrical to each other. The two elements 107 are joined to each other in a sealed manner at a junction 100.
  • Each core 101 comprises two half-tubes 106 for maintaining oriented with their concave face towards the outside of the core. The two half-tubes 106 therefore turn their backs.
  • Each retaining half-tube 106 contains a heat exchange plate 103 which itself contains a support half-cylinder 102. In this embodiment, the heat exchange plate 103 is semi-cylindrical. The heat exchange plate 103 is inserted in abutment against a shoulder 114 in a holding half-tube 106 and held against this shoulder by a holding means 115, for example a weld.
  • a first cavity is formed between the heat exchange plate 103 and the holding half-tube and a second cavity is formed between the heat exchange plate 103 and the support half-cylinder 102.
  • One of these cavities accommodates a liquid 104 while the other cavity accommodates a fluid 105 coolant.
  • the liquid 104 has for example a high coefficient of thermal expansion. It then allows a higher compression of the liquid with respect to the expansion only of the heat exchange plate, as explained above.
  • the heat exchange plate 103 is made of a material having a very good thermal conductivity, namely of metal so as to optimize the heat exchange.
  • the liquid 104 is contained between the holding half-tube and the heat exchange plate 103, while the coolant fluid 105 is sprayed onto the heat exchange plate 103 by a spraying device contained in the half carrier cylinder 102.
  • the heat exchange plate 103 when the heat exchange plate 103 is expanded, the latter will undergo a stress in radial compression.
  • the presence of the support half-cylinder 102, as well as the shape of the exchanger plate 03, makes it possible to help this heat-exchange plate 103 to withstand the pressure constraint exerted in a plane transverse to the element. tabular in the direction of said support half-cylinder 102.
  • each support half-cylinder 102 comprises two conduits 108, 109 bringing the hot or cold heat transfer fluid from the hot or cold source into the heat exchanger. These pipes are thermally insulated from one another and are thermally insulated from the cavity receiving the coolant. Spray nozzles 112, 113 make it possible to spray the hot or cold heat transfer fluid from the pipes 108, 109 on the heat exchange plate 103. This spraying is substantially radial and allows a rapid and total spraying of the exchange plate 103. thermal.
  • the perimeter of the heat exchange plate is not circular, or cylindrical. Lobed shapes suggesting those of a mold charlotte or ogival form allow to benefit from an increased length of the perimeter, thus participating in a greater linear expansion of the heat exchange plate, and therefore to its displacement in compression liquid located in the cavity 104.
  • the fluids 5, 5 C , 5 f coolant are for example water and the liquid 4 is for example ethanol.
  • the coefficient of thermal expansion of ethanol is 1.1 ⁇ 10 3 K -1 .
  • the fluid 5 hot coolant C is heated by a cold source and the fluid 5 f cold coolant is cooled by a cold source.
  • the hot source is for example a solar collector.
  • the energy flow produced by the hot source is modest, it is particularly important to minimize the heat losses in order to save the available energy.
  • the heat exchanger according to the invention is intended to be installed in a pump further comprising a pumping piston adapted to actuate a control means by the movement of a fluid (hydraulic liquid or gas), a motor piston connected by means of kinematic means to the pumping piston and adapted to be actuated by a movement of the liquid 4 from the heat exchanger described above, by a hot source and a cold source.
  • the pump contains for example several heat exchangers.
  • the pump, to operate also comprises a bypass for alternately passing a hot heat transfer fluid heated by the hot source and a cold heat transfer liquid cooled by the cold source in the tubular elements 1 of the heat exchanger so as to create a alternation of dilations and thermal contractions to actuate the engine piston.
  • the pump according to the invention is intended to be installed in an installation further comprising a control means, for example a motor, and a fluid reservoir.
  • the installation is for example an air conditioner.
  • the pumping chamber sucks and compresses gas and serves as a compressor.
  • the hot source is for example one or more solar panel (s) or an isothermal pit hot heat transfer fluid storage used during the night.
  • the cold source is for example a pleasure pool or a swimming pool.
  • the installation is a hydraulic plant producing domestic electricity.
  • the control means is a hydraulic motor.
  • the hot source is for example one or more solar collector (s) and / or an isothermal pit for hot heat transfer fluid storage that can be used during the night period.
  • the cold source is for example a pit, an ornamental pond or a swimming pool.
  • the installation is a hydraulic plant producing domestic electricity from geothermal energy.
  • the hydraulic pump operates a hydraulic motor that drives an electricity generator.
  • the hot spring is then constituted by hot water from geothermal energy.
  • the cold source is for example constituted by the natural environment, namely a reservoir of hilly water, a river, the sea, etc ...
  • the pressure in the circuit of the hot heat transfer fluid must be relatively high in order to maintain the fluid (for example water) in the liquid state, a part of the pressure generated by the installation is used to reinject the fluid into the solar collector. Otherwise, the water evaporates.
  • the pressure in the cold coolant circuit may be the ambient pressure.

Landscapes

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Abstract

Un échangeur thermique comprend une pluralité d'éléments tubulaires ou de noyaux (1) comprenant chacun un cylindre ou demi-cylindre (2) de support, - au moins une plaque (3c, 3f) courbe d'échange thermique, chaque plaque séparant une première cavité d'une deuxième cavité, la première cavité contenant un liquide (4) et la deuxième cavité recevant un fluide caloporteur (5c, 5f) provoquant la dilatation ou la contraction thermique de la plaque, et ainsi respectivement la compression ou la dépression du liquide de la première cavité, un tube ou demi-tube (6) de maintien externe. Application à une pompe et à une installation. L'échangeur thermique selon l'invention permet de résister à de fortes contraintes mécaniques. L'échangeur thermique permet également de mieux résister à de fortes pressions malgré un diamètre important des plaques cylindriques d'échange thermique sans avoir à augmenter l'épaisseur de ces plaques, la pression étant exercée principalement radialement aux éléments tubulaires, et en particulier de l'extérieur vers l'intérieur pour la plaque cylindrique d'échange thermique la plus fine au contact de la cavité contenant du liquide caloporteur froid ou de l'air.

Description

ECHANGEUR THERMIQUE
La présente invention concerne un échangeur thermique, utilisé pour générer un liquide sous pression sous l'effet de sa dilatation en particulier dans une pompe. II est connu dans l'art antérieur, en particulier par les demandes de brevet FR-
A-2 851 796 et WO-A-2004/079194 une pompe hydraulique et une installation hydraulique mettant en œuvre une telle pompe.
L'installation hydraulique comprend ainsi une pompe hydraulique, un réservoir de liquide hydraulique et un moteur hydraulique. La pompe hydraulique comprend au moins un piston de pompage et un piston moteur constitués par deux étages d'un même piston différentiel. Le piston de pompage délimite une chambre de pompage dans un cylindre de pompage et le piston moteur délimite une chambre motrice dans un cylindre moteur. Le piston de pompage et le piston moteur sont liés entre eux par des moyens de liaison cinématiques de telle sorte qu'une augmentation du volume de la chambre motrice corresponde à une réduction de volume de la chambre de pompage et inversement.
La chambre de pompage est reliée hydrauliquement au réservoir de liquide hydraulique de l'installation et au moteur hydraulique de l'installation, qui est alimenté par la pompe hydraulique. La chambre motrice de la pompe est reliée hydrauliquement à un faisceau tubulaire d'échange thermique. Un liquide à coefficient de dilatation thermique élevé est présent dans la chambre motrice et le faisceau tubulaire d'échange thermique. Ce liquide à coefficient de dilatation thermique élevé est placé en relation d'échange thermique alternativement avec une source chaude et avec une source froide. Ainsi, le liquide à coefficient de dilatation thermique élevé subit alternativement des dilatations thermiques et des contractions thermiques, ce qui provoque respectivement l'augmentation du volume de la chambre motrice au détriment de celui de la chambre de pompage, qui chasse le fluide hydraulique vers le moteur hydraulique puis vers le réservoir de l'installation, ou la diminution du volume de Ia chambre motrice, ce qui provoque l'aspiration du liquide hydraulique à partir du réservoir de l'installation. Un effet de pompage est alors obtenu par alternance des mouvements de refoulement et d'aspiration du liquide hydraulique.
Le faisceau tubulaire d'échange thermique est constitué d'un faisceau de tubes verticaux fermés à leur extrémité inférieure et communiquant entre eux, à leur extrémité supérieure, par un collecteur dans lequel débouche une conduite de liaison avec la chambre motrice.
Le faisceau tubulaire d'échange thermique est placé à l'intérieur d'un bac divisé par une cloison horizontale. Cette cloison, thermiquement isolante, est percée de trous permettant à chaque tube de traverser la cloison de part en part tout en assurant une étanchéité aussi bonne que possible entre la cloison et les tubes.
Le bac est ainsi divisé en une chambre inférieure comprenant un liquide caloporteur froid circulant et en une chambre supérieure comprenant un liquide caloporteur chaud circulant.
Le faisceau tabulaire d'échange thermique est ainsi mis alternativement en relation d'échange thermique avec le fluide caloporteur froid et avec le fluide caloporteur chaud par déplacement vertical en va-et-vient à l'intérieur du bac. Ce mouvement de va-et-vient vertical est assuré par un vérin. Les dilatations et contractions thermiques alternatives subies par le fluide à coefficient de dilatation thermique élevé entraînent des dilatations et contractions alternatives du faisceau tabulaire d'échange thermique, qui ont tendance à étirer chaque tube, entraînant à terme une fatigue des tubes constituant le faisceau tabulaire. Le but de l'invention est donc de proposer un échangeur thermique permettant de résister longtemps à de fortes contraintes mécaniques.
Ce but est atteint par un échangeur thermique comprenant une pluralité d'éléments tabulaires ou de noyaux comprenant chacun :
- un cylindre ou demi-cylindre de support, - au moins une plaque courbe d'échange thermique, chaque plaque séparant une première cavité d'une deuxième cavité, la première cavité contenant un liquide et la deuxième cavité recevant un fluide caloporteur provoquant la dilatation ou la contraction thermique de la plaque, et ainsi respectivement la compression ou la dépression du liquide de la première cavité, - un tube ou demi-tube de maintien externe.
Selon une autre particularité, le liquide a un coefficient de dilatation thermique élevé.
Selon une autre particularité, le tube ou demi-tube de maintien externe, la ou les plaque(s) d'échange thermique et le cylindre ou demi-cylindre de support ont des diamètres décroissants.
Selon une autre particularité, les première et deuxième cavités sont délimitées, d'une part, par une des plaques d'échange thermique et, d'autre part, par le cylindre ou demi-cylindre de support ou le tube ou demi-tube de maintien externe, la ou les plaque(s) d'échange thermique, le cylindre ou demi-cylindre de support et le tube ou demi-tube de maintien externe étant concentriques.
Selon une autre particularité, chaque élément tabulaire est fermé à chacune de ses extrémités par un flasque, un desdits flasques étant adapté à permettre la circulation du liquide à travers le flasque et l'autre flasque interdisant cette circulation.
Selon une autre particularité, chaque élément tabulaire est fermé à chacune de ses extrémités par un flasque, un desdits flasques au moins étant adapté à permettre la circulation du (des) fluide(s) caloporteur(s) à travers le flasque.
Selon une autre particularité, lesdits flasques sont adaptés à permettre la circulation alternativement d'un fluide caloporteur chauffé par une source chaude et d'un fluide caloporteur refroidi par une source froide.
Selon une autre particularité, une des plaques d'échange thermique est munie d'une pluralité de premières ailettes en contact avec le liquide.
Selon une autre particularité, une des plaques d'échange thermique est munie d'une pluralité de premières ailettes en contact avec un fluide caloporteur.
Selon une autre particularité, une des plaques d'échange thermique est munie d'une pluralité de deuxièmes ailettes en contact avec un fluide caloporteur. Selon une autre particularité, les différents éléments tabulaires sont parallèles entre eux.
Selon une autre particularité, les différents éléments tabulaires sont maintenus entre eux au moyen de brides enserrant chacune un élément tabulaire et fixées à une tige filetée située entre au moins deux éléments tabulaires. Selon une autre particularité, les différents éléments tabulaires sont maintenus entre eux au moyen de brides enserrant chacune un élément tabulaire et soudées entre elles.
Selon une autre particularité, les différents éléments tabulaires sont maintenus entre eux au moyen de brides enserrant chacune un élément tabulaire et brasées entre elles.
Selon une autre particularité, chaque élément tabulaire ou noyau comprend en outre des conduites de fluide caloporteur, ainsi que des buses de pulvérisation adaptées à pulvériser le fluide caloporteur depuis les conduites de fluide caloporteur vers la plaque d'échange thermique. L'invention concerne également une pompe comprenant :
- un piston de pompage adapté à actionner un moyen de commande par le mouvement d'un fluide,
- un piston moteur relié par des moyens cinématiques au piston de pompage et adapté à être actionné par un mouvement du liquide de l'échangeur thermique décrit ci-dessus,
- une source chaude,
- une source froide. Selon une autre particularité, la pompe comprend en outre un by-pass adapté à faire passer alternativement un fluide caloporteur chauffé sous pression par la source chaude et un liquide caloporteur refroidi à pression atmosphérique par la source froide dans les éléments tabulaires ou noyaux de l'échangeur thermique. L'invention concerne également une installation comprenant :
- la pompe décrite ci-dessus,
- un réservoir de fluide,
- un moyen de commande.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui montrent :
- figure 1, une vue en perspective d'un élément tabulaire de l'échangeur thermique selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- figure 2, une vue en coupe transversale de l'échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
- figure 3, une vue en coupe longitudinale de l'échangeur thermique selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- figure 4, une vue en coupe transversale de l'échangeur thermique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Les références identiques sur les différentes figures désignent des éléments similaires ou équivalents.
L'échangeur thermique selon l'invention comprend une pluralité d'éléments tabulaires. Chaque élément tabulaire comprend un cylindre de support, au moins une plaque courbe d'échange thermique séparant une première cavité d'une deuxième cavité, et un tube de maintien externe. La première cavité contient un liquide et la deuxième cavité reçoit un fluide caloporteur provoquant la dilatation ou la contraction thermique de la plaque, et ainsi la compression ou la dépression du liquide de la première cavité.
La plaque d'échange thermique se dilate ou se contracte par contact avec le fluide caloporteur en fonction de la température du ou des fluide(s) caloporteur(s) circulant dans l'échangeur thermique, ce qui entraîne une compression ou une dépression de la première cavité et donc du liquide contenu dans cette première cavité.
Le cylindre de support et le tube de maintien externe, qui sont constitués de matériaux très résistants aux pressions et peuvent être de mauvais conducteurs thermiques, permettent de limiter fortement la dilatation longitudinale de l'échangeur thermique et donc de résister plus longtemps à de fortes contraintes mécaniques qu'avec le faisceau tabulaire d'échange thermique connu dans l'art antérieur. La figure 1 représente une vue en perspective d'un élément tabulaire de l'échangeur thermique selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'échangeur thermique comprend une pluralité d'éléments tubulaires. Dans ce premier mode de réalisation de l'invention, chaque élément tabulaire 1 comprend un tube 6 de maintien externe contenant deux plaques 3C, 3f d'échange thermique, dites respectivement plaque externe et plaque interne, qui, elles-mêmes, contiennent un cylindre 2 de support. Dans ce mode de réalisation, les plaques 3C, 3f d'échange thermique sont cylindriques. On peut toutefois envisager des modes de réalisation avec une ou des plaques d'échange thermique courbes mais non cylindriques, ou formant une portion de cylindre seulement. Le cylindre 2 de support est par exemple un cylindre plein. Le tube 6 de maintien externe, les deux plaques 3C, 3f d'échange thermique et le cylindre 2 de support sont sensiblement concentriques.
Une première cavité, formée entre les deux plaques 3C, 3f d'échange thermique, contient un liquide 4. De préférence, le liquide 4 a un coefficient de dilatation thermique élevé. Les plaques d'échange thermique permettent un échange thermique entre le fluide caloporteur et le liquide 4. Ainsi, le liquide 4 se dilate ou se contracte en fonction de la température du ou des fluide(s) caloρorteur(s) circulant dans l'échangeur thermique, ce qui provoque la dilatation ou la contraction thermique du liquide 4. La compression ou la dépression créée est alors encore supérieure au cas où le liquide n'est pas à coefficient de dilatation thermique élevé et où la compression ou la dépression du liquide 4 n'est due qu'à la dilatation ou la contraction thermique des plaques d'échanges thermiques.
Deux autres cavités, formées respectivement entre l'une des plaques 3C et le tube 6 de maintien externe et entre l'autre plaque 3f et le cylindre 2 de support, accueillent respectivement un fluide 5C caloporteur chaud et un fluide 5f caloporteur froid à l'état liquide.
Un des buts de l'échangeur thermique selon l'invention est de comprimer ou de déprimer le liquide 4 par échange thermique des plaques avec les fluides 5C, 5f caloporteurs, le liquide devant toutefois constamment rester à l'état liquide. De façon à ce que cet échange thermique soit optimisé, en particulier en durée, ces plaques 3C, 3f sont en matériau ayant une très bonne conductivité thermique, à savoir en métal. Cela permet également un bon échange thermique avec le liquide 4, ce qui est important en particulier lorsque le liquide 4 est à coefficient de dilatation thermique élevé. De façon à ce que l'échangeur thermique résiste mieux à la fatigue, le tube 6 de maintien externe et le cylindre 2 de support sont constitués de matériaux très résistants aux pressions. Ainsi, ils sont par exemple, mais de façon non limitative, en matériau composite en carbone, à enroulements filamentaires ou en verre. Ces matériaux ont par ailleurs l'avantage de présenter une mauvaise conductibilité thermique (par exemple comprise entre 0,034 W/mK et 0,045 W/mK), ce qui permet également de fortement limiter les pertes de chaleur vers l'extérieur de l'échangeur thermique. Dans le cas où il n'est pas utilisé de liquide à coefficient de dilatation thermique élevé, les pertes de chaleur peuvent être limitées par l'utilisation d'un liquide présentant une mauvaise conductibilité thermique. Des pressions importantes s'exercent en particulier sur la plaque d'échange thermique en contact avec le fluide 5C caloporteur chaud. Cette plaque est de faible épaisseur : elle est typiquement comprise entre quelques dixièmes de millimètres et plusieurs millimètres, suivant la nature du métal constituant la plaque et la taille de l'échangeur en fonction de l'application. Ainsi, la vitesse d'échange thermique est accrue sans toutefois fragiliser la plaque car la pression s'exerce principalement radialement sur celle-ci lors de la dilatation (et de préférence vers l'intérieur de l'élément tabulaire) et non plus principalement longitudinalement comme dans l'art antérieur. Ainsi, contrairement au faisceau tabulaire d'échange thermique connu dans l'art antérieur, l'échangeur thermique selon l'invention permet d'utiliser des plaques d'échange thermique de diamètre plus important pour une même épaisseur, qui résistent beaucoup mieux aux fortes pressions, ce qui permet de diversifier les applications. Le diamètre des plaques peut être augmenté à épaisseur constante soit parce que la pression s'exerce de l'extérieur vers l'intérieur et non de l'intérieur vers l'extérieur, soit parce que les plaques sont aidées à résister dans leurs sollicitations mécaniques par le tube 6 de maintien externe ou le cylindre 2 de support, qui sont en matériau résistant à de fortes pressions. Si le tube 6 de maintien externe ou le cylindre 2 de support sont métalliques, il est nécessaire de les protéger de la chaleur pour éviter leur dilatation, qui viendrait amoindrir le rendement du système. Il peut être envisagé de refroidir l' extérieur du tube de maintien par le fluide 5f.
Dans une variante de réalisation, le tube 6 de maintien externe et le cylindre 2 de support sont tous les deux en métal mais l'élément tubulaire comporte à chacune de ses extrémités un flasque soudé ou brasé sur le tube pour permettre à ces deux éléments 2, 6 de résister à de fortes pressions.
De préférence, le fluide 5C caloporteur chaud est contenu entre le tube 6 de maintien externe et la plaque 3C externe d'échange thermique, tandis que le fluide 5}- caloporteur froid est contenu entre la plaque 3f interne d'échange thermique et le cylindre 2 de support. Ainsi, lorsque la plaque 3C d'échange thermique est dilatée, la plaque 3f d'échange thermique va subir une contrainte en compression radiale. La présence du cylindre 2 de support permet d'aider ladite plaque 3t- interne d'échange thermique à résister à cette contrainte de pression s'exerçant radialement à l'élément tabulaire en direction du cylindre 2 de support.
La plaque 3f interne d'échange thermique comprend en outre une pluralité de premières ailettes longitudinales 31 situées à l'intérieur de la cavité contenant le fluide 5f caloporteur froid. Ces premières ailettes 31 permettent de résister plus facilement aux contraintes de pression radiales exercées sur l'élément tubulaire sous l'effet de la dilatation de la plaque 3C externe d'échange thermique. Ces premières ailettes servent également au positionnement du cylindre 2 de support sensiblement au centre de la plaque 3f interne. La plaque 3C externe d'échange thermique comprend également une pluralité de deuxièmes ailettes longitudinales 32 situées à l'intérieur de la cavité contenant le fluide 5C caloporteur chaud. Ces deuxièmes ailettes 32 servent en particulier au positionnement de la plaque 3C externe sensiblement au centre du tube 6 de maintien.
Prenons l'exemple suivant : si les plaques 3C et 3f sont en acier, la plaque 3C a par exemple une épaisseur de 3 mm et la plaque 3f de 1 mm. La plaque 3C peut alors contenir une pression de 400 bar en s'aidant du tube 6 de maintien externe. La plaque 3f peut contenir la même pression que la plaque 3C malgré son épaisseur inférieure parce que la pression s'exerce de l'extérieur vers l'intérieur.
La plaque 3t- cylindrique d'échange thermique est alternativement au contact du fluide caloporteur 5f froid venant de la source froide et d'air lorsque le flux de fluide caloporteur 5f froid est arrêté.
La figure 2 représente une vue en coupe transversale de l'échangeur thermique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce deuxième mode de réalisation, l'échangeur thermique comprend une pluralité d'éléments tabulaires 1. Chaque élément tubulaire 1 comprend un tube 6 de maintien externe contenant une unique plaque 3 d'échange thermique qui, elle-même, contient un cylindre 2 de support. Dans ce mode de réalisation également, la plaque 3 d'échange thermique est, de façon non limitative, cylindrique. Le cylindre 2 de support est par exemple un cylindre plein. Le tube 6 de maintien externe, la plaque 3 d'échange theπnique et le cylindre 2 de support sont sensiblement concentriques.
Une première cavité est formée entre la plaque 3 d'échange thermique et le tube 6 de maintien externe et une deuxième cavité est formée entre la plaque 3 d'échange thermique et le cylindre 2 de support. L'une de ces cavités accueille un liquide 4 tandis que l'autre cavité accueille un fluide 5 caloporteur. Le liquide 4 a par exemple un coefficient de dilatation thermique élevé. Il permet alors une compression supérieure du liquide par rapport à la dilatation seule de la plaque d'échange thermique, comme expliqué plus haut. Comme expliqué plus haut, la plaque 3 d'échange thermique est en matériau ayant une très bonne conductivité thermique, à savoir en métal de façon à optimiser l'échange thermique.
De même, comme expliqué plus haut, le tube 6 de maintien externe et le cylindre 2 de support sont constitués de matériaux résistant aux fortes pressions et ayant une mauvaise conductibilité thermique comme, par exemple, un matériau composite en carbone ou à enroulements filamentaires ou en verre.
Dans ce mode de réalisation, du fluide 5 caloporteur chaud et froid est injecté alternativement dans la cavité destinée à accueillir ledit fluide. De préférence, Ie liquide 4 est contenu entre le tube 6 de maintien externe et la plaque 3 d'échange thermique, tandis que le fluide 5 caloporteur est contenu entre la plaque 3 d'échange thermique et le cylindre 2 de support.
Ainsi, lorsque la plaque 3 d'échange thermique est dilatée, cette dernière va subir une contrainte en compression radiale. La présence du cylindre 2 de support permet d'aider la plaque 3 d'échange thermique à résister à cette contrainte de pression s'exerçant dans un plan transversal à l'élément tubulaire en direction dudit cylindre 2 de support.
La plaque 3 d'échange thermique comprend en outre une pluralité de premières ailettes longitudinales 31 situées à l'intérieur de la cavité contenant le liquide 4. Ces premières ailettes 31 permettent d'augmenter la surface d'échange thermique.
La plaque 3 d'échange thermique comprend également une pluralité de deuxièmes ailettes longitudinales 32 situées à l'intérieur de la cavité contenant le fluide 5 caloporteur. Ces deuxièmes ailettes 32 servent, d'une part, au positionnement du cylindre 2 de support sensiblement au centre de la plaque 3 et, d'autre part, à résister plus facilement aux déformations importantes qui pourraient résulter des contraintes de pression exercées transversalement à l'élément tubulaire sous l'effet de la dilatation de la plaque 3.
Comme représenté sur la figure 2, les éléments tabulaires sont sensiblement parallèles entre eux, et de préférence verticaux. Ils sont de préférence disposés au contact les uns des autres, de façon à limiter les pertes d'énergie, et par exemple de façon à ce que leurs axes forment des trièdres. Cette disposition des éléments tubulaires, ainsi que et leur mode de fixation décrit plus bas, peuvent également s'appliquer aux éléments tubulaires 1 selon les premier et troisième modes de réalisation de l'invention. Chaque élément tubulaire 1 est enserré par une bride, non représentée, qui est fixée à une tige filetée 7 située au centre du trièdre.
Pour rendre plus solide l'échangeur thermique, l'ensemble des éléments tubulaires 1 est solidarisé par une résine synthétique. Dans une variante de réalisation, les brides sont soudées ou brasées entre elles. Par ailleurs, chaque élément tabulaire 1 est fermé à chacune de ses extrémités par un flasque, non représenté. Un seul desdits flasques doit permettre de faire circuler le liquide 4 à travers ledit flasque. En particulier, les flasques adaptés à faire circuler le liquide 4 doivent tous être disposés du même côté des différents éléments tabulaires constituants l'échangeur thermique.
En revanche, un seul ou les deux flasques peuvent permettre de faire circuler le fluide 5 caloporteur à travers ce ou ces flasques.
La figure 3 représente une vue en coupe longitudinale de l'échangeur thermique selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce troisième mode de réalisation, l'échangeur thermique comprend une pluralité d'éléments tabulaires 1. Chaque élément tabulaire 1 comprend un tube 6 de maintien externe contenant une unique plaque 3 d'échange thermique qui, elle-même, contient un cylindre 2 de support. Dans ce mode de réalisation également, la plaque 3 d'échange thermique est verticale et, de façon non limitative, cylindrique. Le cylindre 2 de support est par exemple un cylindre plein. Le tube 6 de maintien externe, la plaque 3 d'échange thermique et le cylindre 2 de support sont sensiblement concentriques.
Une première cavité est formée entre la plaque 3 d'échange thermique et le tube 6 de maintien externe et une deuxième cavité est formée entre la plaque 3 d'échange thermique et le cylindre 2 de support. L'une de ces cavités accueille un liquide 4 tandis que l'autre cavité accueille un fluide 5 caloporteur. Le liquide 4 a par exemple un coefficient de dilatation thermique élevé. Il permet alors une compression supérieure du liquide par rapport à la dilatation seule de la plaque d'échange thermique, comme expliqué plus haut.
Comme expliqué plus haut, la plaque 3 d'échange thermique est en matériau ayant une très bonne conductivité thermique, à savoir en métal de façon à optimiser l'échange thermique.
De préférence, le liquide 4 est contenu entre le tube 6 de maintien externe et la plaque 3 d'échange thermique, tandis que le fluide 5 caloporteur est accueilli entre la plaque 3 d'échange thermique et le cylindre 2 de support.
Ainsi, lorsque la plaque 3 d'échange thermique est dilatée, cette dernière va subir une contrainte en compression radiale. La présence du cylindre 2 de support permet d'aider la plaque 3 d'échange thermique à résister à cette contrainte de pression s'exerçant dans un plan transversal à l'élément tabulaire en direction dudit cylindre 2 de support.
L'échangeur thermique comprend en outre entre le cylindre de support 2 et la cavité contenant le fluide caloporteur 5 deux conduites 8, 9 amenant le fluide caloporteur chaud ou froid depuis la source chaude ou froide dans l'échangeur thermique. Ces conduites sont isolées thermiquement l'une de l'autre par un premier séparateur 10 et sont isolées thermiquement de la cavité contenant le fluide caloporteur par un deuxième séparateur 11. Les séparateurs sont en matériau à très faible conductivité thermique, pour éviter les pertes de chaleur.
Des buses de pulvérisation 12, 13 permettent de pulvériser le fluide caloporteur chaud ou froid par l'intermédiaire de canalisations capillaires traversant les séparateurs 10, 11 depuis les conduites 8, 9 vers la cavité initialement remplie d'air et destinée à contenir le fluide caloporteur 5 chaud ou froid. Ces canalisations capillaires permettent à la pression atmosphérique de stopper les fluides caloporteurs juste à l'orifice d'évacuation lorsque ces derniers sont liquides, et de réduire de délai de cheminement des fluides depuis les vannes de commande jusqu'à la plaque 3 d'échange thermique. Cette pulvérisation est sensiblement radiale et permet une aspersion rapide et totale de la plaque 3 d'échange thermique. La figure 4 représente une vue en coupe transversale de l'échangeur thermique selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce quatrième mode de réalisation, l'échangeur thermique comprend une pluralité de noyaux 101.
Chaque noyau 101 comprend deux éléments 107 symétriques l'un de l'autre. Les deux éléments 107 sont assemblés l'un à l'autre de façon étanche au niveau d'une jonction 100. Chaque noyau 101 comprend deux demi-tubes 106 de maintien orientés avec leur face concave vers l'extérieur du noyau. Les deux demi-tubes 106 se tournent donc le dos. Chaque demi -tube 106 de maintien contient une plaque 103 d'échange thermique qui, elle-même, contient un demi -cylindre 102 de support. Dans ce mode de réalisation, la plaque 103 d'échange thermique est semi-cylindrique. La plaque 103 d'échange thermique est insérée en butée contre un épaulement 114 dans un demi-tube 106 de maintien et maintenue contre cet épaulement par un moyen de maintien 115, par exemple une soudure.
Une première cavité est formée entre la plaque 103 d'échange thermique et le demi-tube de maintien et une deuxième cavité est formée entre la plaque 103 d'échange thermique et le demi -cylindre 102 de support. L'une de ces cavités accueille un liquide 104 tandis que l'autre cavité accueille un fluide 105 caloporteur. Le liquide 104 a par exemple un coefficient de dilatation thermique élevé. Il permet alors une compression supérieure du liquide par rapport à la dilatation seule de la plaque d'échange thermique, comme expliqué plus haut.
Comme expliqué plus haut, la plaque 103 d'échange thermique est en matériau ayant une très bonne conductivité thermique, à savoir en métal de façon à optimiser l'échange thermique. De préférence, le liquide 104 est contenu entre le demi-tube de maintien et la plaque 103 d'échange thermique, tandis que le fluide 105 caloporteur est aspergé sur la plaque 103 d'échange thermique par un dispositif d'aspersion contenu dans le demi-cylindre 102 de support. Ainsi, lorsque la plaque 103 d'échange thermique est dilatée, cette dernière va subir une contrainte en compression radiale. La présence du demi-cylindre 102 de support, ainsi que la forme de la plaque d'échangel03, permet d'aider cette plaque 103 d'échange thermique à résister à la contrainte de pression s'exerçant dans un plan transversal à l'élément tabulaire en direction dudit demi-cylindre 102 de support. Le dispositif d'aspersion de chaque demi-cylindre 102 de support comporte deux conduites 108, 109 amenant le fluide caloporteur chaud ou froid depuis la source chaude ou froide dans l'échangeur thermique. Ces conduites sont isolées thermiquement l'une de l'autre et sont isolées thermiquement de la cavité recevant le fluide caloporteur. Des buses de pulvérisation 112, 113 permettent de pulvériser le fluide caloporteur chaud ou froid depuis les conduites 108, 109 sur la plaque d'échange thermique 103. Cette pulvérisation est sensiblement radiale et permet une aspersion rapide et totale de la plaque 103 d'échange thermique.
Il est possible que le périmètre de la plaque d'échange thermique ne soit pas circulaire, ou cylindrique. Des formes lobées suggérant celles d'un moule à charlotte ou en forme d'ogives permettent de bénéficier d'une longueur accrue du périmètre, participant ainsi à une dilatation linéaire plus importante de la plaque d'échange thermique, donc à son déplacement en compression du liquide situé dans la cavité 104.
Dans les quatre modes de réalisation de l'invention décrits ci-dessus, les fluides 5, 5C, 5f caloporteur sont par exemple de l'eau et le liquide 4 est par exemple de l'éthanol. Le coefficient de dilatation thermique de l'éthanol est de 1,1.103 K"1.
Le fluide 5C caloporteur chaud est chauffé par une source froide et le fluide 5f caloporteur froid est refroidi par une source froide.
La source chaude est par exemple un capteur solaire. Dans ce cas, le débit d'énergie produite par la source chaude étant modeste, il est particulièrement important de réduire au minimum les pertes de chaleur de façon à économiser l'énergie disponible.
L'échangeur thermique selon l'invention est destiné à être installé dans une pompe comprenant en outre un piston de pompage adapté à actionner un moyen de commande par le mouvement d'un fluide (liquide hydraulique ou gaz), un piston moteur relié par des moyens cinématiques au piston de pompage et adapté à être actionné par un mouvement du liquide 4 provenant de l'échangeur thermique décrit plus haut, par une source chaude et par une source froide. La pompe contient par exemple plusieurs échangeurs thermiques. La pompe, pour fonctionner comprend également un by-pass permettant de faire passer alternativement un fluide caloporteur chaud chauffé par la source chaude et un liquide caloporteur froid refroidi par la source froide dans les éléments tubulaires 1 de l'échangeur thermique de façon à créer une alternance de dilatations et de contractions thermiques permettant d'actionner le piston moteur.
La pompe selon l'invention est destinée à être installée dans une installation comprenant en outre un moyen de commande, par exemple un moteur, et un réservoir de fluide. L'installation est par exemple un climatiseur. Dans ce cas, la chambre de pompage aspire et comprime du gaz et sert de compresseur. La source chaude est par exemple un ou plusieurs panneau(x) solaire(s) ou une fosse isotherme de stockage de fluide caloporteur chaud utilisable en période nocturne. La source froide est par exemple un bassin d'agrément ou une piscine. Dans une variante, l'installation est une installation hydraulique productrice d'électricité domestique. Dans ce cas, le moyen de commande est un moteur hydraulique. La source chaude est par exemple un ou plusieurs capteur(s) solaire(s) ou/et une fosse isotherme de stockage de fluide caloporteur chaud utilisable en période nocturne. La source froide est par exemple une fosse, un bassin d'agrément ou une piscine.
Dans une variante, l'installation est une installation hydraulique productrice d'électricité domestique à partir de géothermie. Dans ce cas, la pompe hydraulique assure le fonctionnement d'un moteur hydraulique qui entraîne un générateur d'électricité. La source chaude est alors constituée par l'eau chaude provenant de la géothermie. Et la source froide est par exemple constituée par le milieu naturel, à savoir une retenue d'eau collinaire, une rivière, la mer, etc...
Lorsque l'installation comprend une source chaude constituée de panneaux solaires, la pression régnant dans le circuit du fluide caloporteur chaud doit être relativement élevée de façon à maintenir le fluide (par exemple de l'eau) à l'état liquide, une partie de la pression générée par l'installation est utilisée pour réinjecter le fluide dans le capteur solaire. Sinon, l'eau s'évapore. En revanche, la pression régnant dans le circuit du fluide caloporteur froid peut être la pression ambiante. Ainsi, dans ce cas, l'utilisation d'un échangeur thermique avec des éléments tubulaires selon le premier mode de réalisation décrit plus haut est particulièrement adaptée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Echangeur thermique comprenant une pluralité d'éléments tabulaires ou de noyaux (1, 101) comprenant chacun : - un cylindre ou demi-cylindre (2, 102) de support,
- au moins une plaque (3, 3C, 3f, 103) courbe d'échange thermique, chaque plaque séparant une première cavité d'une deuxième cavité, la première cavité contenant un liquide (4, 104) et la deuxième cavité recevant un fluide caloporteur (5, 5C, 5f, 105) provoquant la dilatation ou la contraction thermique de la plaque, et ainsi respectivement la compression ou la dépression du liquide de la première cavité,
- un tube ou demi-tube (6, 106) de maintien externe.
2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide (4) a un coefficient de dilatation thermique élevé.
3. Echangeur thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube ou demi-tube (6, 106) de maintien externe, la ou les plaque(s) (3, 3C, 3f, 103) d'échange thermique et le cylindre ou demi-cylindre (2, 102) de support ont des diamètres décroissants.
4. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les première et deuxième cavités sont délimitées, d'une part, par une des plaques (3, 3C, 3f, 103) d'échange thermique et, d'autre part, par le cylindre ou demi-cylindre (2, 102) de support ou le tube ou demi-tube (6, 106) de maintien externe, la ou les plaque(s) (3, 3C, 3f, 103) d'échange thermique, le cylindre ou demi-cylindre (2, 102) de support et le tube ou demi-tube (6, 106) de maintien externe étant concentriques.
5. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque élément tabulaire (1) est fermé à chacune de ses extrémités par un flasque, un desdits flasques étant adapté à permettre la circulation du liquide (4) à travers le flasque et l'autre flasque interdisant cette circulation.
6. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque élément tabulaire (1) est fermé à chacune de ses extrémités par un flasque, un desdits flasques au moins étant adapté à permettre la circulation du (des) fluide(s) caloporteur(s) (5, 5C, 5f) à travers le flasque.
7. Echangera thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits flasques sont adaptés à permettre la circulation alternativement d'un fluide caloporteur chauffé par une source chaude et d'un fluide caloporteur refroidi par une source froide.
8. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une des plaques (3) d'échange thermique est munie d'une pluralité de premières ailettes (31) en contact avec le liquide (4).
9. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une des plaques (3f) d'échange thermique est munie d'une pluralité de premières ailettes (31 ) en contact avec un fluide (5f) caloporteur.
10. Echangeur thermique selon la revendication 8ou 9, caractérisé en ce qu'une des plaques (3, 3C) d'échange thermique est munie d'une pluralité de deuxièmes ailettes (32) en contact avec un fluide caloporteur (5, 5C).
11. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les différents éléments tubulaires (1) sont parallèles entre eux.
12. Echangeur thermique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les différents éléments tubulaires (1) sont maintenus entre eux au moyen de brides enserrant chacune un élément tubulaire et fixées à une tige filetée (7) située entre au moins deux éléments tubulaires.
13. Echangeur thermique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les différents éléments tubulaires (1) sont maintenus entre eux au moyen de brides enserrant chacune un élément tubulaire et soudées entre elles.
14. Echangeur thermique selon la revendication 11 , caractérisé en ce que les différents éléments tubulaires (1) sont maintenus entre eux au moyen de brides enserrant chacune un élément tubulaire et brasées entre elles.
15. Echangeur thermique selon la revendication 11, caractérisé en ce que chaque élément tubulaire ou noyau (1, 101) comprend en outre des conduites de fluide caloporteur (8, 9 ; 108, 109), ainsi que des buses de pulvérisation (12, 13 ; 112, 1 13) adaptées à pulvériser le fluide caloporteur depuis les conduites de fluide caloporteur (8, 9 ; 108, 109) vers la plaque (3, 103) d'échange thermique.
16. Pompe comprenant : un piston de pompage adapté à actionner un moyen de commande par le mouvement d'un fluide, un piston moteur relié par des moyens cinématiques au piston de pompage et adapté à être actionné par un mouvement du liquide (4) de l'échangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, - une source chaude, une source froide.
17. Pompe selon la revendication 16, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un by-pass adapté à faire passer alternativement un fluide caloporteur chauffé sous pression par la source chaude et un liquide caloporteur refroidi à pression atmosphérique par la source froide dans les éléments tubulaires ou noyaux (1) de l'échangeur thermique.
18. Installation comprenant : la pompe selon l'une quelconque des revendications 16 ou 17, un réservoir de fluide, un moyen de commande.
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