Brevet FR2069905A1 — publié le 19710910

La présente invention concerne un échan geur thermique du type dans lequel le parcours du fluide traitant et du fluide traité s'effectue à contre-couran dans des espaces annulaires créés enture des viroles concentriques. I1 est dé1à connu un échangeur thermique du type hélicocylindroïde, ce dit échangeur étant décrit dans le brevet français n 1.330.305. Cet échangeur est constitué d'un ensemble de cylindres ou viroles concentriques,déterminant des espaces annulaires dans lesquels les fluides traitants et traités circulent de façon alternée, c'est-à-dire qu'un espace annulaire sur deux contient un fluide, alors que les autres espaces annulaires contiennent le fluide circulant à contre-courant. Ce type d'échangeur, de réalisation com- plexe, est généralement utilisé dans des installations importantea dans l'industrie chimique, alimentaire, etc... La présente invention a pour but des modifications à ce type d'échangeur, lui permetta-as des applications beaucoup plus étendues. L'invention concerne, à cet effet, un échangeur thermique du type constitué d'un ensemble de cylindres concentriques déterminant des espaces annulaires, dans lesquels les fluides traitants et traités circulent de façon opposée, échangeur caractérisé en ce que les espaces annulaires créés entre les viroles sont obturés sur une partie de leur circonférence de façon alternée, selon leurs extrémités, d'une part, et d'une virole à l'autre d'autre part, ce qui crée, au moins deux circuits indépendants débouchant respectivement dans les chambres d'évacuation et les chambres de répartition prévues à chaque extrémité de l'échangeur. Selon une caractéristique de l'inven- tion, les viroles sont de longueurs décroissantes de la riphérie vers le centre selon leur disposition dans le corps de l'échangeur. Selon une autre caractéristique de l'- invention, des cloisons hélicoSdales sont réparties dans les espaces annulaires selon un pas variable suivant la nature et le débit des fluides. Un échangeur conforme à l'invention est représenté, à titre d'exemple non limitatif, sur les dessins cijoints, dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation suivant une coupe longitudinale du dit échangeur, - la figure 2 est une coupe selon C-C de la figure 1, - la figure 3 est une coupe selon D-O do la figure 1, - la figure 4 est une vue de dessous de l'échangeur selon une coupe suivant B~B de la figure i, la figure 5 est une vue de dessus se- ion une coupe suiant A-A de la figure 1. Comme il est illustré sur la figure I l'échangeur est constitué d'un corps principal tubulaire à chacune de ses extrémités de chambres d'évacuation 2 et de répar- tition 3, les chambres de répartition et d'évacuation 2 et 3 se trou vant aux extrémités du corps cylindrique principal 1 sont séparées par une cloison 4. Dans le corps principal d est disposé, concentriquement les unes par rapport aux autres, un ensemble de vi- roues 5, 6 et 7, chaque virole étant plus courte que la virole exté- rieure dans laquelle elle se trouve placée, c'est-à-dire en allant de la périphérie du corps principal 1 vers le centre. Afin de séparer la circulation de flui de, les viroles sont fermées i une de leurs extrémités, selon une demi-circonférence; seulement ce détail des soudures des viroles est représenté sur les figures 4 et 5. Ainsi, l'un des rebords de la virole 5 sera coudé verq 1' extérieur sur au moins une demi- circonférence pour permettre sa soudure en 8 sur la surface inté- rieure du corps extérieur 1. A l'extrémité opposée de cette virole, une soudure 8 identique sera réalisée, mais sur la demi-circonféren- ce opposée pour éviter la communication entre les chambres d'évacu- ation et de répartition 2 et 3. Le procédé de montage sera identique pour la virole intérieure 7, alors que la virole intermédiaire 6 comportera, à ses extrémités, des rebords coudés alternés par rap- port aux viroles 5 et 7. Sur l'ensemble des figures annexées, les cloisons de séparation 4 sont diamétrales maie pourront entre sé- cantes selon la nature des fluides traités et traitants. Entre les parois des viroles 5, 6 et 7 sont disposées des cloisons hélicoïdales 9 soit décalées (comme ro- présenté dans la partie supérieure de la figure 1), soit disposées sur un meme plan (comme illustré sur la partie inférieure de cette même figure). Comme indiqué plus haut, chaque virole est fermée, en alternant les bords successivement à gauche et à droite sur une longueur circonférentielle légèrement plus longue que la demi-circonférence, de manière à obtenir un léger chevauchement dans la zone de soudure des cloisons 4, ce qui, par voie de conséquence, oblige à prévoir les viroles de plus en plus longues du centre vers la périphérie et assure une étanchéité totale dea circuits Ces parties dépassantes des soudures des viroles sont représentées sous les repères 81 (figures 4 et 5) pour la virole extérieure 5. Les parties correspondantes de ces soudures, en ce qui concerne les viroles 6 et 7, sont également représentées de façon alternée de part et d'autre de la cloison 4, visible sur les figures 4 et 5. La figure 2 est une coupe selon C-C de la figure 1 et montre qu'à la hauteur de la cloison 4,la totalité des viroles 5 6 et 7 est rendue étanche. Par contre, la figure 3 représente la disposition concentrique des viroles sur la longueur du corps principal de l'échangeur. Ainsi, le fluide à traiter arrive selon la flèche FI dans la chambre de répartition 3, s'engage dans l'- espace annulaire compris entre les viroles 5 et 6 et traverse la longueur de l'échangeur selon le mouvement hélcoSdal provoqué par les cloisons hélicoSdales 9g le fluide traité arrive dans la chambre d'évacuation 2 et s'évacue selon la flèche F2. Par contre, le fluide traitant arrive dans la chambre de répartition 3 selon,la flèche F3, pénètre dans les espaces annulaires créés, d'une part, entre le corps extérieur 1 et la surface extérieure de la virole 5 et, @ autre part, entre la virole 6 et la virole 7. Les orifices de la virole intérieure 7 sont obturés par une cloison 10, chacune de ces cloisons étant percée en 11 pour que le fluide traitant remplisse la partie centrale de l'échangeur et compense les pressions créées dans l'espace annulaire compris entre la virole 7 et la virole 6. L'installation décrite ci-dessus est prévue pour deux fluides, mais,selon les applications, la construc- tion pourra permettre plus de deux fluides en présence. Dans certains cas d'applications d'é- change thermique, notamment pour lee gaz ou vapeurs sous pression en présence de liquide de réchauffement ou de refroidissement, on peut remplacer avantageusement les cloisons hélicoïdales,dans les espaces annulaires utilisés pour le passage des gaz ou vapeurs,par des plots 12 soudés sur la partie convexe des viroles et placée à des distances, les unes des autres, calculées pour permettre aux différentes viroles de résister normalement aux pressions d'utilisa- tion de l'un ou l'autre des fluides en présence. Il est évident que le cloisonnement des viroles pourra être, soit des hélicoïdes, soit des hélicoïdes et plots (alternés selon l'espace annulaire), soit des plots. Les longueurs dus viroles peuvent évidemment varier en fonction des surfaces participant à l'échange thermique, un tableau est donné ci-après, à titre d'exemple non limitatif, la case S représentant les surfaces, les viroles étant représentées par les repères figurant sur les dessina, le corps exté- rieur étant dénommé V1 t t S 0,5 m2 I 1 m2 : 1,5 m2 s 2 m2 t ------------:------------:------------:----------- s 7 t 494 s 1014 s 1534 s 1984 s ------------:------------:------------:------------:----------- s V6 s 512 s 1032 s 1552 s 2002 s ------------:------------:------------:------------:----------- s VS s 530 s 1050 s 1570 s 2020 t ------------:------------:------------:------------::----------- s Vi s 578 t 1098 s 1618 s 2068 s ------------:------------:------------:------------:----------- H : 758 : 1278 : 1798 : 2248 : H représente la hauteur totale de l'échangeur. Le nombre des viroles peut augmenter en fonction du problème thermique posé et notamment de la nature des fluides et du débit; la section de passage 9 peut entre augmentée ou diminuée en fonction, également, de la nature du fluide, pour obtenir le débit voulu à une vitesse maximale. Le déplacement des fluides en hélicoïde est prévu pour s a) obtenir un déplacement régulier et constant de l'entrée vers la sortie, b) que ce déplacement soit continu et circulaire de manière à provoquer les turbulences naturelles pour provoquerpar les forces centrifuges dues à la vitesses l'entrée en contact de toutes les melécules du fluide avec la paroi extérieure de ltanneauO Cette construction permet de réaliser un échangeur de réalisation simples par conséquent bon marché, pour pouvoir aborder dea types d'installations, tels qve Oc - réchauffage d'eau de chauffage cen tral par vapeur ou eau surchauffée - production d'eau chaude sanitaire instantanée de tous débits, - réchauffage des eaux de piscines, eaux industrielles, etc.. - réchauffage d'huiles, mazout et tous hydrocarbures, - réchauffeurs ou réfrigérants d'air et gaz comprimés, - condensation, réfrigération, - et en général, réchauffage ou refroidissement de tous fluides. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalesation ci-dessus dédit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S Ic Echangeur thermique du type constitué d'un ensemble de cylindres concentriques déterminant des espaces annulaires, dans lesquels les fluides traitants et traités circulent de façon opposée, échangeur caractérisé en ce que les es- paces annulaires créés entre les viroles sont obturés sur une partie de leur circonférence de façon alternée9selon leurs extrémités, d'- une part, et d'une virole à l'autre, d'autre part, ce qui créé au moins deux circuits indépendants débouchant respectivement dans les chambres d'évacuation et les chambres de répartition prévues à chaque extrémité de l'échangeur. 2.- Echangeur thermique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qie les viroles sont de longueurs décroissantes de la périphérie vers le centrez selon leur disposition dans le corps de l'échangeur. 3.- échangeur thermique conforme aux revendications 1 et 2S caractérisé en ce que des c 102 sons hélicoï- dales sont réparties dans les espaces annulaires selon un pas variable suivant la nature et le débit des fluides. 4.- échangeur thermique conforme à lt- une quelconque des reyendications précédentes 1 et 2, caractérisé en ce que des plots sont disposés dans les espaces annulaires, lorsque l'échangeur est utilisé sur des installations de gaz ou de vapeurs ou fluides le nécessitant. 5.- Echangeur thermique conforme à 1'une quelconque des revendications précédentes de 1 à 4, caractérisé en ce que des cloisons diamètrales ou sécantes partagent les chambres d'évacuation et de répartition selon la longueur circonféren- tielle des soudures des viroles l'une par rapport à l'autre. 6.- échangeur thermique conforme à lune quelconque des revendications précédentes de 1 à 5, caractéri- sé en ce que les soudures pratiquées sur les orifices des viroles s'étendent légèrement au-delà de leur ligne de contact avec la la cloi- son de séparation des deux chambres de répartition et d'évacuation, pour assurer une étanchéité totale d'un circuit par rapport à l'au- tre. 7.- Echangeur thermique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes de 1 à 6, caractdri- sé en ce que des cloisons obturent les orifices de la virole inté- rieure, des perçages étant réalisés sur ces cloisons pour que l'- espace cylindrique délimité soit rempli du fluide traitant, pour une compensation des pressions créées dans l'espace annulaire délimité extérieurement par la virole intérieure.