Brevet FR2010327A1 — publié le 19700213

La présente invention concerne des échangeurs de chaleur pour la liquéfaction ou la vaporisation de fluides frigorigènes, qui sont constitués par une enveloppe collectrice de forme tu-"bulaire et par -un élément échangeur de chaleur disposé dans cel-5 le-ci et qui sont, dans le cas d'un condenseur, agencés de telle manière que des tubes, lisses ou pourvus d'ailettes, s'étendent en direction longitudinale dans l'enveloppe colleetrice, qu'ils sont parcourus par le produit à refroidir et que sur leur paroi extérieure, en dedans de l'enveloppe collectrice, se 10 condense le fluide frigorigène gazeux admis dans cette enveloppe. Ce fluide frigorigène une fois liquéfié se rassemble à la partie inférieure de l'enveloppe collectrice et se trouve le plus souvent refroidi encore davantage par quelques tubes supplémentaires où circule du fluide frigorigène. 15 Dans le cas d'un vaporiseur destiné au refroidissement de liquides par vaporisation directe, le mode de construction est analogue à celui des condenseurs mais ici, la vaporisation s'effectue généralement dans des tuyaux qui, fréquemment comportent, en outre des ailettes longitudinales intérieures* Aux extrémi— 20 tés de l'enveloppe collectrice se trouvent des flasques amovibles qui contiennent des chambres à chicanes pour l'eau ou pour le fluide frigorigène. Même dans le cas des meilleures réalisations connues, les échangeurs de chaleur de ce type sont toujours relativement volumineux et lourds et, par conséquent, 25 . d'une fabrication onéreuse. Un échangeur suivant l'invention permet d'obtenir des coefficients de transfert de chaleur beaucoup plus élevés qu'il n'était possible jusqu'à présent avec des installations de construction classique. Il est donc possible , avec les échangeurs 30 de chaleur suivant l'invention, d'aboutir à des cotes sensiblement plus faibles et, en conséquence, à des appareils d'un poids lui aussi beaucoup plus faible. Ceci est avantageux tant du point de vue de la construction, c'est-à-dire en ce qui concerne les dimensions de l'installation, mais aussi et surtout en ce 35 qui concerne les prix de revient. Des échangeurs de chaleur construits suivant l'invention pour la liquéfaction ou la vaporisation de fluides ..frigorigènes sont également constitués par une enveloppe collectrice de forme cylindrique et par un élément échangeur de chaleur installé 69 17619 2 2010327 * dans cette enveloppe. L'invention est essentiellement caractérisée en ce que l'élément échangeur de chaleur, en forme de coffre allongé et de section transversale rappelant la section diamétrale d'une cloche, comporte des tubes disposés dans le 5 sens longitudinal pour la circulation d'un fluide à refroidir ou à chauffer et qui sont noyés dans un bloc poreux, constitué par des particules métalliques d'une forme de préférence sphé-rique ou cylindrique, ces particules étant reliées aussi bien entre elles qu'avec les parois extérieures des tubes et avec 10 les parois intérieures du capot, d'une manière assurant une bonne conductibilité thermique. A cet effet, l'élément échangeur de chaleur construit en forme de boîtier allongé et à profil "en cloche", comporte un espace creux situé au-dessus du bloc poreux. Ce dernier en est 15 séparé par une grille métallique à mailles étroites, exécutée de préférence en métal déployé et qui est reliée à un renfort longitudinal formé d'une cornière double ou profilé en U ouvert vers le haut et fait du même type de grille. Dans l'espace creux de cet élément échangeur de chaleur à section transversale en 20 forme de cloche débouche un ou plusieurs conduits dirigés de préférence verticalement, des écrans métalliques en forme de disques et installés sur la grille métallique à mailles étroites, étant placés en opposition coaxiale vis-à-vis des embouchures de ces conduites et mesurant un diamètre au moins égal à cel-25 les-ci. Dans l'enveloppe collectrice et au-dessous du ou/des éléments échangeurs de chaleur sont avantageusement agencés d'autres tubes échangeurs de chaleur qui, dans le cas du vapo-riseur, sont disposés dans une rigole en tôle et reliés à cel-le-ci d'une manière thermoconductrice. 30 S'il est nécessaire de réaliser dans un minimum d'espace des unités de transfert de chaleur d'un rendement particulièrement élevé, on loge alors dans une seule enveloppe collectrice plusieurs de ces éléments échangeurs de chaleur. Les tubes traversant la paroi frontale du réservoir col-35 lecteur et destinés au passage du fluide à chauffer ou à refroidir font saillie d'au moins 3 mm du plan de la paroi frontale extérieure. Cet agencement de l'extrémité des tubes permet d'appliquer sur la paroi frontale un flasque d'étanchéité élastique et percé de trous correspondant au passage des tubes. Un 17619 3 2010327 autre flasque d'étanchéité est fixé sous le capot. De cette manière, il est possible de construire les chambres à chicanes en châssis amovibles, qui sont alors fixés par simple serrage entre le flasque d'étanchéité de la paroi frontale et le flasque d'étanchéité logé au-dessous du capot. Ce mode de construction des chambres à chicanes permet, d'une part, de passer très rapidement d'un raccordement de tube à un autre, comme ce peut être par exemple le cas si un échangeur de chaleur doit être mis en service avec d'autres quantité d'eau qu'auparavant. Un autre avantage de ces chambres à chicanes construites en châssis réside dans le fait que ces pièces peuvent être fabriquées également en une matière plastique appropriée. En pareil cas, toutes les parois entourant les chambres à eau sont constituées par des matières non métalliques, ce qui est extrêmement avantageux pour des questions de corrosion. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés• la fig. 1 représente un échangeur de chaleur suivant l'invention, construit en condenseur refroidi à l'eau et sur l'un des côtés duquel les différentes pièces des chambres à eau sont représentées détachées les unes des autres. La fig> 2 est une coupe suivant la ligne a-a de la fig. 1. La fig. 3 est une élévation frontale avec, mises en place, des chambres à chicanes montées en châssis. La fig* 4 est une coupe partielle d'un élément échangeur de chaleur construit en forme de boîtier allongé et de section transversale dessinée en cloche. La fig- 5 représente un échangeur de chaleur suivant l'invention et construit en tant que vaporiseur pour le refroidissement de produits liquides. La fig. 6 représente, en coupe suivant la ligne b-b de la fig. 5, 1'échangeur de chaleur déjà représenté à cette figure . - . La fig. 7 représente, en coupe transversale un échangeur de chaleur suivant l'invention où trois éléments échangeurs de chaleur sont disposés côte à côte. Dans l'application en tant que condenseur pour des fluides 69 17619 4 2010327 frigorigènes (fig. 1t/ 2*et 3), un élément' échangeur de chaleur 2, en forme de "boîtier allongé et de section transversale en cloche, est monté dans une enveloppe collectrice. Celle-ci est fermée à ses deux extrémités par les flasques se trouvant 5 à l'intérieur de l'enveloppe collectrice et situés à plusieurs centimètres en-deçà de la tranche extérieure de l'enveloppe collectrice. Ces flasques 3 sont traversés par les tubes 2a de l'élément échangeur de chaleur ainsi que par des conduits échangeurs supplémentaires 7, de telle manière que les extré-10 mités de ces conduits émergent d'au moins 3 mm du plan des parois frontales extérieures de l'enveloppe collectrice. Dans la partie supérieure de l'élément échangeur de chaleur débouche un conduit de raccordement 4 qui traverse également le capot de l'élément échangeur de chaleur 2 et qui est relié à 15 celui-ci, aux points de passage, de manière étanche. Au lieu d'un seul conduit de raccordement 4, il peut également y en avoir plusieurs, 4a., 4b, qui sont alors reliés par un conduit commun 4ç_. Au voisinage de l'extrémité de l'enveloppe collectrice 1 par où pénètre le fluide à refroidir débouche un tu-20 yau plongeur 5 muni d'une vanne 6 et qui sert de conduit d'évacuation pour le fluide à refroidir puis condensé» Sur la face extérieure, l'enveloppe collectrice 1 est fermée par un flasque 11, appliqué sur la tranche de cette enveloppe avec interposition d'un disque élastique d1étanchéité 10. Sur la 25 face extérieure de la paroi frontale 3 s'applique un autre disque élastique drétanchéité qui présente des ouvertures par lesquelles peuvent dépasser les extrémités des tuyaux 2a et 7. Un châssis 9 est pressé entre les joints d'étanchéité 8 et 10. Il formée les chambres à chicanes pour le produit à refroi-30 dir. Le serrage nécessaire au coincement et à 1'étanchéifica-tion est obtenu au moyen de boulons filetés 12 et d'écrous 13» Les boulons 12 sont entourés par des douilles élastiques d'étanchéité 12a. En cours de fonctionnement, le fluide frigorigène vaporisé passe en 4 dans l'élément échangeur de cha-35 leur et quitte celui-ci à sa partie inférieure sous forme d'un condensât qui dégoutte tout au long comme d'une rampe d'arrosage. Le condensât se rassemble à la partie inférieure de l'élément échangeur d-e chaleur 2, il est refroidi contre les tubes 40 7 et il quitte de nouveau le condenseur par le tube plongeur 176Î9 5 2010327 5 et par la vanne 6. Par l'embouchure d'admissipn 14 le fluide à refroidir pénètre dans l'un des flasques de fermeture extérieure et il arrive dans les tubes refroidisseurs 2a de l'élément échangeur de chaleur 2, d'abord par les tubes de 5 refroidissement 7 et ensuite par les chambres à chicanes qui sont formés par le châssis 9. H quitte le condenseur en passant par la tubulure 15. Des berceaux 16 à socle recourbé servent au maintien du condenseur. Si l'on utilise 1'échangeur de chaleur suivant l'invention en tant que vaporiseur pour le 0 refroidissement de milieux liquides (fig. 5 et 6 ), il est essentiellement construit exactement de la manière décrite ci-dessus. Le tube d'admission 4 est seulement remplacé par un certain nombre de rampes de pulvérisation 21 qui présentent un diamètre notablement plus faible que le conduit 4 et qui 5 réalisent la liaison, d'une part entre ce qu'on appelle un répartiteur 22 de frigorigène qui est monté sur une vanne de régulation 23 et, d'autre part, l'espace vide à la partie supérieure du boîtier de l'élément échangeur de chaleur. Les points de passage des tuyaux 21 dans l'enveloppe collectrice 2 sont 20 étanchéifiés par brasage comme dans le cas du conduit 4. Dans la forme de réalisation représentée, la vanne .23 est une vanne à régulation thermostatique avec compensation extérieure de la pression, les canalisations d'équilibrage de pression étant désignées par 24 et le tube capillaire pour le palpeur de tem-25 pérature, par 25. Dans le cas du vaporiseur, les tubes 7 ne servent plus à refroidir des frigorigènes liquides, mais à surchauffer les vapeurs de frigorigène.. Ils sont avantageusement reliés de manière thermoconductrice à une goulotte en tôle 30 pour achever de vaporiser du frigorigène ou un mélange de frigo-30 rigène et d'huile provenant encore de la partie inférieure de l'échangèur de chaleur 2. Le départ du frigorigène ainsi vapo- ■* risé s'effectue par un conduit 31 installé au-dessous de la chaudière. Celui-ci, de même que les points de raccordement du palpeur de vanne, sont avantageusement entourés d'une couche 35 isolante désignée par 26 ou 27.' L'élément échangeur de chaleur, de forme allongée et de profil en cloche (fig. 4) est constitué par une tôle enveloppante 2b pliée en forme d'U renversé et qui est délimitée sur ses deux faces frontales par des panneaux de fermeture 2£. © 69 17619 6 2010327 Ces panneaux sont percés Se trous par lesquels passent des tubes 2a. Ces tubes 2a passent tout au long de 1'échangeur de chaleur et, à ses deux extrémités, dépassent d'une certaine longueur au-delà des panneaux 2c» Dans la zone des tubes 2a, 5 l'élément échangeur de chaleur est rempli de particules d'un métal bon conducteur de la chaleur et qui sont reliées d'une manière thermoconductrice entre elles ainsi qu'avec les parois extérieures des tubes 2a et avec la face intérieure du capot en tôle 2b partout où elle est recouverte, d'où la constitu-10 tion d'un bloc poreux et stable. La forme et le diamètre des grains métalliques (sphériques ou cylindriques), l'écart des tubes 2a entre eux et leur diamètre sont d'une grande, influence sur le degré d'efficacité de 1'échangeur de chaleur et doivent être déterminés à leur valeur optimale en chaque cas 15 d'espèce. Dans l'élément échangeur de chaleur, au-dessus de la zone traversée par les tubes, se trouve un espace vide. Celui-ci est fermé par une grille métallique plane 18 sur laquelle, dans la zone médiane, est installée une grille métallique 19 en forme de ïï et à jambes tournées vers le haut. Sur cette 20 grille et juste au-dessous de l'embouchure des conduits, désignée ici par 4, sont fixés des disques métalliques 20 destinés à assurer une meilleure répartition du fluide à son arrivée. Pour gagner de la place, on peut aussi, comme représenté à la fig. 7, installer dans une même enveloppe collectrice 1 25 plusieurs éléments échangeurs 2 identiques. Dans le cas d'un condenseur , il peut être avantageux d'adjoindre un collecteur de liquide 1a supplémentaire qui est relié à l'enveloppe collectrice 1 par un conduit 28.A cette fin, il est avantageux de fixer cette enveloppé 1 sur des montants 29. Etant donné 30 que, dans l'exemple de la fig. 7, il s'agit là encore d'un condenseur, les autres chiffres de référence correspondent à ceux des fig. 1 à 3. 69 17619 7 2010327 REVENDICATIONS 1 - Echangeur de chaleur pour la liquéfaction ou la vaporisation de fluides frigorigènes, constitué par une enveloppe collectrice de forme cylindrique et par au moins un élément échangeur de chaleur installé dans celle-ci, caractérisé en ce que ledit élément échangeur de chaleur, en forme de coffre allongé et de section transversale analogue à la section diamétrale d'une cloche, comporte des tubes disposés dans le sens longitudinal pour la circulation d'un fluide à réchauffer ou à refroidir et qui sont noyés dans un bloc poreux constitué par des particules métalliques, de préférence sphériques ou cylindriques et reliées d'une manière thermoconductrice aussi bien entre elles qu'avec les parois extérieures des tubes et avec les parois intérieures du capot profilé en cloche. 2 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément en forme de coffre allongé et de section transversale dessinant une cloche présente au-dessus du bloc poreux un espace creux. 3 - Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le bloc poreux est séparé de l'espace vide qui le surplombe par une grille métallique à mailles étroites, de préférence en métal déployé, qui est reliée à un renfort longitudinal profilé en U et ouvert par en haut, fait du même type de grille. 25 4 - Echangeur de chaleur suivant les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs conduits, orientés de préférence verticalement débouchent dans l'espace creux, des écrous métalliques en forme de disques étant disposés, en position coaxiale avec l'embouchure des conduits, sur la.grille mé- 30 tallique à mailles étroites et présentant Tin diamètre au moins égal à celui desdites embouchures. 5 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'enveloppe collectrice et au-dessous de l'élément échangeur de chaleur sont agencés des tubes échan- 35 geurs de chaleur disposés dans une rigole et reliés à celle-ci d'une manière thermoconductrice. 6 - Echangeur de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe collectrice contient deux ou 10 15 69 17619 8 2010327 * plusieurs éléments *échangeurs de chaleur. 7 - Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tubes traversant les plaques collectrices de l'enveloppe et conduisant le fluide à chauffer ou à 5 refroidir dépassent du plan extérieur de ces plaques d'au moins 3 mm. 8 - Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'extérieur de chacune des plaques collectrices est masqué par un disque élastique d'étanchéité qui tra- 10 verse les tubes où circule le fluide à rechauffer ou à refroidir . 9 - Echangeur de chaleur suivant les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des chambres à chicanes en forme de châssis et amovibles, destinées au passage du fluide à réchauffer ou 15 à refroidir, sont fixées par serrage entre les disques d'étanchéité montés sur les flasques et les disques d'étanchéité montés sous les couvercles.