Brevet FR2096853A1 — publié le 19720303

L'invention concerne les évaporateurs industriels multi-tubulaires verticaux, c'est-à-dire du type constitué par un faisceau de tubes verticaux parcourus par le fluide à refroidir et maintenus entre deux plaques tubulaires à l'intérieur d'une virole qui contient le liquide de refroidissement et qui est reliée à des moyens d'amenée dudit liquide et d'évacuation de la vapeur formée. Le but de l'invention est d'améliorer les évaporateurs de ce type en cherchant à réaliser un intense recyclage naturel du fluide à évaporer pour obtenir un coefficient superficiel d'évaporation très élevé autorisant une importante réduction de la surface d'échange. A cet effet, suivant l'invention, au moins les tubes parcourus en dernier lieu par le fluide à refroidir sont entourés, chacun, d'une gaine coaxiale ouverte à ses deux extrémités et laissant, entre elle et ledit tube, un certain intervalle permettant l'ascension de liquide de refroidissement. Cette structure particulière permet des réalisations très économiques, notamment lorsque la surface d'échange doit être réalisée avec des matériaux couteux, lorsque la réduction de l'encombrement doit être recherchée, et lorsqu'il est nécessaire de réaliser un fonctionnement avec un faible écart de température entre la sortie du fluide refroidi et l'évaporation du fluide frigorifique, par exemple en dessous de 4 C, elle est me- me indispensable pour résoudre les problèmes spéciaux à treks faible écart de température, de l'ordre de 200 ou meme 10C seulement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre et de l'examen des dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, quelques modes de réalisation d'un évaporateur industriel suivant l'invention. Sur ces dessins Fig. 1 représente schématiquement, en coupe verticale, un premier mode de réalisation. Fig. 2 est une coupe horizontale faite suivant la ligné Il-Il de la fig.1 Fig. 3 montre, à plus grande échelle, un détail de la figure 1, Fig. 4 est une coupe faite suivant la ligne IV-IV de la fig. 3, Fig. 5 est un diagramme de fonctionnement de l'évaporateur des figs 1 à 4, Fig. 6 montre, en coupe verticale, une variante de l'évaporateur de la fig. 1, Fig. 7 est une coupe horizontale faite suivant la ligne Vil-Vil de la-fig. 6 et Fig. 8 est un diagramme de fonctionnement de l'évapo- rateur de la fig.6. L'évaporateur industriel multi-tubulairé vertical 1 représenté schématiquement en coupe verticale sur la fig.1 est composé essentiellement d'un faisceau 2 de doubles tubes évaporateurs d'une structure spéciale représentée à plus grande échelle sur les figures 3 et 4 et maintenus entre deux plaques tubulaires 3, 4, à l'intérieur d'une virole 5. Ces doubles tubes évaporateurs sont groupés, par exemple en hexagone pour une disposition à pas triangulaire; ils sont jointifs par une génératrice extérieure et laissent libre une zone 6 sans tubes dans laquelle s'établit le niveau 25 du liquide 8 à évaporer. Un fond inférieur Il présente éventuellement une ou plusieurs cloisons 12, tandis qu'un fond supérieur 13 porte une tubulure d'entrée 14 et une tubulure de sortie 1S du fluide à refroidir, ainsi qu'une ou plusieurs cloisons 16 de manière à assurer une circulation verticale, dans les deux sens, du fluide à refroidir. Les deux fonds Il et 13 sont assemblés aux plaques tubulaires correspondantes 4 et 3 au moyen de boulons (non représentés) qui permettent un démontage et un nettoyage du circuit du fluide refroidi. On n'a pas représenté les joints d'étanchéité habituels insérés entre les brides de fixation des fonds et les plaques tubulaires. Dans l'exemple représenté, un séparateur classique de liquide et de vapeur 21 est associé à l'évaporateur 1. Les parties inférieures de ces deux appareils sont reliées par une conduite 22 de liquide de refroidissem nt, tandis qu'une tubulure 23 fait communiquer la partie supérieure de l'évaporateur avec l'intérieur du séparateur 21 au-dessus du niveau 25 du liquide 8 dans ces appareils. Dans ce séparateur, la vapeur s'élève verticalement à vitesse réduite en laissant retomber des gouttes de liquide entraîné. Une tubulure 27 sert à amener du liquide dans le séparateur, tandis qu'une autre tubulure 28 sert à l'évacuation de la vapeur formée. L'ensemble peut être avantageusement complété par un régulateur de niveau de tout type classique approprié (non représenté) propre à maintenir constant le niveau 25 du liquide 8 dans le séparateur 21 et, par conséquent, aussi dans l'évaporateur 1. La structure particulière d'un tube double du faisceau tubulaire 2 est représentée en détail sur les figures 3 et 4. Chaque tube double est constitué d'un tube principal ou tube échangeur 31 qui est le tube dont les deux extrémités sont raccordées, par soudure ou dudgeonnage, aux deux plaques tubulaires 3,4. Le fluide à refroidir circule verticalement à l'intérieur de ce tube, de haut en bas lorsqu'il entre dans le faisceau tubulaire 2 et de bas en haut lorsqu'il en sort, avec, la plupart du temps, un certain nombre d'allers et retours intermédiaires de sens correspondants. Autour de ce tube 31 et coaxialement à celui-ci est disposée une gaine 32 qui, dans cet exemple, est constituée par un autre tube de forme cylindrique comme le tube principal 31. Son diamètre est plus grand que celui du tube 31, de manière à délimiter, entre elle et ledit tube, une cheminée annulaire 33. La gaine 32 est positionnée verticalement par ses deux extrémités qui se trouvent, respectivement, contre les faces en regard des deux plaques tubulaires 3 et 4. Cependant, elle présente à sa base une ouverture d'entrée du liquide 35 et à sa partie supérieure une ouverture 36 plus grande que son ouverture inférieure pour le passage de la vapeur qui occupe un plus grand volume que le liquide admis à sa base. La gaine 32 est maintenue en place coaxialement au tube principal 31, par exemple par des goussets 38 soudés contre la surface cylindrique intérieure de la gaine, mais laissant un léger jeu contrela surface extérieure du tube principal 31, de façon qu'on puisse faire coulisser ce tube librement en cas ue réparation ou d'échange de celui-ci. Le fonctionnement de l'évaporateur est le suivant La cheminée annulaire verticale 33 sert au recyclage du fluide à évaporer. Le niveau du liquide de refroidissement étant réglé à la hauteur indiquée en 25, la vaporisation produite par la chaleur transmise à travers le tube échangeur 31 produit des bulles de vapeur qui s'élèvent, de plus en plus nom breuses, dans le liquide qui se trouve dans la cheminée annulaire 33. Le poids de la colonne de fluide dans cette cheminée diminue fortement du fait de la présence d'une forte proportion de vapeur; il en résulte, entre le liquide extérieur à cette cheminée et l'espace annulaire de celle-ci, une différence de pression qui provoque une circulation forcée de liquide de l'entrée inférieure 35 de la cheminée à la sortie supérieure 36.Ce phénomène s'accélère jusqu'à ce que la différence de pression motrice due à la différence de poids spécifique moyen de la colonne en ébullition et de la colonne de liquide, équilibre la perte de charge due à la circulation du mélange de liquide et de vapeur dans la cheminée annulaire. La vapeur s'échappe à la partie supérieure de la cheminée, alors que le liquide entrainé retombe au niveau 25 par gravité. Dans cette opération, le tube échangeur 31 est mouillé pratiquement sur la totalité de sa hauteur entre les deux plaques tubulaires et non pas seulement sur la hauteur qui starrete au niveau 25 comme dans les évaporateurs habituels. Un calcul très complexe des conditions d'écoulement et d'échange permet de conclure à la possibilité d'obtention de coefficients superficiels d'évaporation considérablement plus élevés que ceux des dispositifs connus, des essais sur maquettes et prototypes ont confirmé ces calculs. Cette disposition, dans laquelle tous les tubes évaporateurs sont munis de gaines coaxiales, s'applique essentiellement au cas où le débit du fluide à refroidir est assez important avec une valeur faible du refroidissement du fluide (te-ts) (Fig.5) et un écart de température (ts-tv) suffisamment faible pour justifier l'emploi du présent système, par exemple (ts-tv) c 5 C. Dans ces conditions, l'écart moyen de température D ts est assez peu variable entre l'entrée (te-tv) et la sortie (ts-tv). Dans le cas contraire, il peut être intéressant, sur le plan économique, d'adopter une solution mixte représentée sur la fig.6 et sur laquelle on reviendra plus loin. L'évaporateur suivant l'invention présente toute une série d'avantages, notamment : une perte d'écart modérée comparable à celle des évaporateurs multitubulaires verticaux à recyclage naturel classiques; contre-courant partiellement assuré; coefficient d'évaporation très élevé et supérieur à celui des évaporateurs multitubulaires verticaux à séparateur associé, coefficient global excellent; possibilité de très faibles écarts avec des coefficients d'échange encore très bons comme ans les évaporateurs multitubulaires verticaux à recyclage naturel; fcrte influence du débit refroidi, sur le coefficient, cot dans les appareils à séparateur associé; possibilité d'admettre de gros débits; charge de fluide fwigorifique modérée; dimensionnement du séparateur indépendant de l'évaporateur; facs mité ce construction du séparateur; possibilité d'utiliser un séparateur commun pour deux ou plusieurs évaporateurs; facilité de démonta- ge et de nettoyage du circuit refroidi; facilité de remplacement partiel outôtal des tubes; encombrement horizontal modéré; parfaitement applicable aux circuits fermés, sans corrosion notable; et prix de revient au mètre carré modéré très compétitif rapporté aux performances. La solution mixte à laquelle il a été fait allusion plus haut est représentée schématiquement sur les figures 6 et 7. Elle convient plus particulièrement au cas où le débit refroidi est faible avec une forte valeur du refroidissement (te-ts)(voir fig.8) du fluide, l'écart Dtm varie fortement entre l'entrez (te-tv) et la sortie (ts-tv). L'important écart d'entrée (te-tv) peut alors justifier l'emploi d'un dispositif plus classique, cet écart important permettant d'obtenir un coefficient d'échange convenable avec une construction simplifiée. A cet effet, la disposition est tout à fait analogue à celle de la figure 1, mais le faisceau tubulaire d'échange se compose de deux parties, à savoir : une première partie qui comme mence à la tubulure d'entrée 14 et qui est reprérenzee en traits interrompus en 42 sur la figure 6 et en moucheté sur la vue en plan correspondante de la figure 7. Cette partie 42 du faisceau, qui représente une fraction seulement de la surface échange, est constituée par des tubes évaporateurs simples identiques au tube 31 de la figure 3 et dépourvu de gaine extérieure. Ils sont plus nombreux par unité de surface et leur -cartement est moindre, mais ils sont mouilles seulement jusqu'à la hauteur du niveau 25 du liquide.Cette première partie du faisceau tubulaire travaille dans les conditions de la partie du diagramme de la figure 8 qui se trouve sur la gauche avec un écart Dtml suffisamment important pour obtenir un coefficient d'échange satisfai- sant et assure la plus grosse partie du transfert de chaleur, mais la partie la plus facile, c'est-à-dire le dégrossissage du refroidissement. La deuxième partie du faisceau tubulaire, dlsignée par d3 est représentée en traits pleins sur la figure 6 et est restée en blanc sur la vue en plan de la figure 7. Cette partie représente le reste du faisceau tubulaire et est raccordée à la tubulure 15 de sortie du liquide refroidi. Dans cette partie du faisceau, les tubes sont doubles, comme représenté sur la fiG.3, c' est-à-dire que chaque tube échangeur 31 est entouré d'une gaine coaxiale 32 et se trouve, par conséquent, mouillé pratiquement sur toute sa hauteur, comme expliqué plus haut.Cette seconde partie du faisceau tubulaire travaille dans les conditions de la partie de droite du diagramme de la figure 8, avec le faible écart Dtm2 pour lequel, avec ce procédé spécial, un bon coefficient d'échange est néanmoins obtenu, et assure la finition du refroidi-s sement à faible écart, phase la plus difficile à réaliser. Les modes de réalisation qui viennent d'etre décrits plus haut sont particulièrement adaptés au cas des évaporateurs frigorifiques à fluides non miscibles à l'huile de graissage (ammoniac) ou aux évaporateurs frigorifiques à fluides miscibles à l'huile de graissage (fréon etc..) lorsque le compresseur est du type centrifuge ou du type à piston sec, fonctionnant sans introduction d'huile dans le circuit. Ils sont également utilisables dans l'industrie chimique, par exemple. Dans le cas particulier des fluides frigorifiques miscibles à l'huile de graissage (fréon etc..) lorsque le compresseur est du type à piston lubrifié il convient d'assurer lten- trainement de l'huile par des vitesses de sortie suffisantes avec entraînement partiel de liquide, évaporé par ailleurs dans un échangeur surchauffeur. Le séparateur 21 est alors supprimé et remplacé par un dispositif assurant, sans réduction sensible de vitesse, la surchauffe du gaz par échange, soit avec le fluide à refroidir, soit avec le liquide frigorifique à évaporer, ce dispositif étant soit extérieur, soit combiné avec l'évaporateur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui ont été donnés à titre d'exemples, on peut y apporter des modifications, suivant les applications envisagées, sans sortir, pour cela du cadre de l'invention. C'est ainsi par exemple que les gaines coaxiales aux tubes échangeurs peuvent ne pas être identiques et présenter des ouvertures supérieures de hauteurs différentes, soit pour favo riser le dégagement de retour du gaz, auquel cas les ouvertures seraient de dimension croissante vers la tubulure de sortie, soit pour éventuellement permettre une modification des performances par variation du niveau du liquide dans 1 t appareil aux fins de régulation par exemple. REVENDICATIONS 1) Evaporateur industriel multitubulaire vertical, c'est-à-dire du type constitué par un faisceau de tubes verticaux parcourus par le fluide à refroidir et maintenus, entre deux plaques tubulaires, à l'intérieur d'une virole qui contient le liquide de refroidissement et qui est reliée à des moyens d'amenée dudit liquide et d'évacuation de la vapeur formée, caractérisé en ce qu'au moins les tubes parcourus en dernier lieu par le fluide à refroidir sont entourés, chacun, d'une gaine coaxiale ouverte à ses deux extrémités et laissant, entre elle et ledit tube, un certain intervalle propre à provoquer une ascension rapide du liquide de refroidissement. 2) Evaporateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les gaines sont cylindriques et présentent, à leur extrémité voisine de la plaque tubulaire supérieure, une section d'ouverture plus grande qu'à leur extrémité voisine de la plaque tubulaire inférieure. 3) Evaporateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'amenée du liquide et d'évacuation de la vapeur formée sont constitués par un séparateur classique extérieur à la virole et relié à celle-ci par une tubulure inférieure d'amenée du liquide et par une tubulure supérieure d'évacuation de vapeur, ledit séparateur étant lui-m8me muni d'une conduite d'alimentation en liquide de refroidissement et d'une conduite d'évacuation de vapeur, l'ensemble étant de préférence équipé d'un régulateur de niveau du liquide dans le séparateur et, partant, dans l'évaporateur. 4) Evaporateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions des ouvertures supérieures des gaines sont croissantes dans les gaines successives rencontrées de l'amont vers l'aval de la circulation du fluide à refroidir. 5) Evaporateur suivant la revendication I, caractérisé en ce que les moyens d'amenée du liquide et d'évacuation de la vapeur formée sont constitués par un dispositif propre à assurer la surchauffe du gaz par échange soit avec le fluide à refroidir, soit avec le liquide frigorifique à évaporer.