Brevet FR2077865A1 — publié le 19711105

La présente invention est relative aux échangeurs thermiques constitués par une enceinte cylindrique traversée par un faisceau de tubes parallèles, dans lesquels passe un premier fluide, et comportant des chicanes, entre lesquelles un second fluide circule en suivant un trajet héli cotidal autour desdits tubes, et elle vise plus particulièrement à améliorer les performances de ce genre d'appareils, notamment du point de vue du guidage du second fluide et de l'échange de chaleur réalisé dans le cas de débits de fluide élevés ou lorsque la perte de charge admissible sur le trajet du deuxième fluide doit etre faible, sans augmentation des dimensions et donc du prix de l'appareil, ni de la perte de charge. Le brevet français nO 797.552, concernant un "évaporateur vertical à circulation accélérée pour la production du froid", a fait connattre un échangeur thermique du type indiqué ci-dessus, dans lequel un premier fluide frigorigène circule dans les tubes du faisceau tubulaire, tandis qu'un second fluide circule autour des tubes dans l'enceinte les entourant, suivant un trajet hélicoTdal, au cours duquel il perd une partie importante de ses calories.Dans ce brevet, la circulation du second fluide suivant un trajet hélicotdaI était obtenue au moyen de chicanes, perpendiculaires au faisceau des tubes, qui les traversent, possédant respectivement des échancrures sectorielles décalées successivement les unes par rapport aux autres, et reliées entre elles par des éléments de cloisonnement plans disposés suivant des plans radiaux par rapport à l'enveloppe cylindrique. Cette disposition a déjà permis par rapport aux dispositifs antérieurs, lramélioration de la transmission de la chaleur entre les fluides. Cependant, lorsque le débit du fluide guidé suivant un trajet hélicotdal par les chicanes est trop élevé ou lorsque la perte de charge admissible globale doit titre faible, il convient de ménager de grandes sections de passage au fluide. Pour cela on peut, soit écarter les tubes, autour desquels passe le second fluide dans enceinte et qui sont traversés par le premier fluide réfrigérant, mais on doit alors augmenter le diamètre de l'appareil (donc son prix), soit écarter les chicanes, ce qui tend à provoquer un moins bon guidage du second fluide, et à dommer-aux tubes une portée trop grande c'est à-dire une longueur trop grande entre leurs points de fixation, sur deux chicanes successives de sorte que les tubes ne seraient plus correctement soutenus. La présente invention a pour but d'augmenter la section de passage du fluide, circulant autour des tubes dans ltenceints, sans augmenter les dimensions de l'appareil ou la portée des tubes et en assurant un bon guidage de ce fluide, par une disposition nouvelle desdites chicanes dans l'enceinte de l'échangeur thermique. L'échangeur thermique conforme- à 'l'invention est du type men tionné ci-dessus et il est caractérisé par le fait que les chicanes sont disposées de façon à former au moins deux fil-ets hélîcoTd,aux en parallèle pour le fluide circuIant autour des tubes à l'intérieur de enceinte de lsséchangeur. Pour cela les chicanes sont reliées entre elles par des cloisons radiales au moins de deux en deux (cas du chicanage héIicoIdal à deux filets), ou bien de trois en trois (chicanage hélicoïdal à trois filets) de façon à relier entre elles les chicanes d'un mdme filet. De plus l'échangeur thermique conforme à l'invention comporte, à ltune de ses extrémités, une chambre d'admission pour le fluide, destinée à répartir ce dernier entre les différents' filets. 'A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif conforme à l'invention. La figure 1 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, du corps cylindrique d'un échangeur thermique conforme à l*invention, non équipé de son faisceau tubulaire. La figure 2 est un schéma plan développé du chicanage de l'échangeur de la figure 1. La figure 3 est un schéma plan développé du chicanage de- l'échangeur de ia figure 1 avec une chambre d'admission et une chambre de sortie du fluide. La figure 4 est une vue en perspective et en plan diurne chambre d'admission et de répartition du fluide entrant dans l'échangeur conforme à -l'invention, comportant un chicanage à deux filets. La figure 5 est un schéma pl-an développé d'un chicanage à trois filets avec une chambre d'admission et une chambre de sortie du fluide. La figure 1 montre la partie centrale d'un échangeur thermique, disposé verticalement, constituée par une enceinte cylindrique 1, limitée à ses deux extrémités par des plaques circulaires 3 et 4 et traversée 'par un tube central 2. L'espace compris entre les plaques 3 et 4 et entre l'enceinte 1 et le tube 2 comporte d'une part un faisceau de tubes de petit diamètre, non représentés ici pour simplifier le dessin, parallèles à l'axe de l'ensemble 1 - 2 et également répartis entre l'enceinte 1 et le tube central 2, dans lesquels circule un premier fluide, et comporte d'autre part un ensemble de chicanes, telles que K1, K2, K3, K4,,CI, C2, C3, entre lesquelles un second fluide circule en passant autour des tubes, dans lesquels circule le premier fluide, les deux fluides devant échanger de la chaleur entre eux. Dans le cas de la figure 1-, -on a réalisé -un chicanage à deux filets, c'est à dire que les chicanes sont disposées et reliées -entre elles de telle sorte qu'elles guident le fluide suivant deux trajets en parallèle à l'intérieur de l'enceinte. Afin de mieux comprendre cette disposition, on se reportera simultanément à la figure I et à la figure 2, qui est un schéma développé du dispositif de la figure 1. Pour réaliser deux trajets parallèles du fluide1 les chicanes de l'appareil sont reliées de deux en deux successivement (K1, K2, K3, K4, d'une part, C1, C2, C3 d'autre part) par des éléments de cloisonnement plans radiaux (5,6, 7 d'une part > 8,9 d'autre part). On suppose que le fluide arrive à l'échangeur suivant la flèche e et y pénètre par l'entrez E (schématisée par un cercle sur la figure 1). on notera que l'entrée E du fluide est placée de sorte que la chicane K 1 répartit le fluide de façon égale entre les entrées des deux trajets que I'on va étudier en détail.La partie du fluide entrant dans l'échangeur par la moitié inférieure de ltouverture circu- laire E, située au-dessous de la chicane K 1, est arrêtée sur la gauche par une cloison plane radiale 10, fermant tout passage vers la gauche entre le cylindre i, le tube 2 et la plaque 3 et les chicanes K1 et C1. Le fluide s'avance donc entre ces parois en tournant autour du tube 2 en sens inverse des aiguilles d'une montre et, comme il rencontre à nouveau la plaque 10 sur l'autre face de celle-ci, il est obligé de monter vers le haut entre la cloison radiale 5 (reliant KI à K2) et la plaque 10, car toutes les chicanes présentent une ouverture sectorielle prévue à cet effet, ce qui permet de les raccorder entre elles tout en laissant des passages pour le fluide.Ainsi la cloison 8, reliant les chicanes CI et C2, est décalée de 600 par exemple par rapport à la cloison 5, reliant les chicanes K1 et K2, et, de plus, les ouvertures sectorielles planes des chicanes d'un meme ensemble et les cloisons verticales, qui y aboutissent, sont décalées les unes par rapport aux autres afin de faire suivre au fluide un trajet hélicordal. Le fluide monte donc entre les cloisons 5 et 10, puis stavance entre les chicanes CI et K2, est obligé de monter vers le haut entre les cloisons 6 et 8, passe ensuite entre les chicanes C2 et K3, monte entre les cloisons 7 et 9, puis circule entre les chicanes C3 et K4 pour sortir par ltouverture semi-circulaire inférieure de la sortie S et s'échapper suivant la flèche s. L'ouverture S est disposée par rapport à la chicane K4 de façon analogue à l'entrée E par rapport à la chicane K1. Le trajet, décrit ci-dessus, emprunté par la partie du fluide entrant dans l'échangeur par la partie inférieure de l'ouverture E, est représenté par une ligne fléchée en trait plein sur les figures 1 et 2. Le trajet suivi par la partie du fluide entrant dans l'échangeur par la partie supérieure de l'ouverture circulaire d'entrée E est semblable à celui décrit précé demment. Le fluide, arrêté à gauche par la cloison 10, circule en sens inverse des aiguilles d'une montre entre les chicanes K1 et CI, puis entre les éléments 5 et 8, K2 et C2, 6 et 9, K3 et C3, 7 et 11, K4 et la plaque 4 et ressort en S suivant la flèche s.Le trajet, décrit ci-dessus, emprunté par la partie du fluide entrant dans ltéchangeur par la partie supérieure de l'ouverture E, est représenté par une ligne fléchée en trait discontinu sur les figures 1 et 2. On voit donc, -dans le cas des figures 1 et 2, qu'on peut alimenter correctement et simplement les deux filets, formés par les chicanes et les cloisons à l'intérieur de l'enceinte 1, sans disposition particulière. Un simple tube cylindrique d'alimentation en fluide peut ttre appliqué sur l'enceinte 1 en E, la première chicane répartissant le fluide de façon égale entre les deux ouvertures semi-circulaires formées. Cependant, moine dans ce cas (double filet), on peut prévoir, comme cela est représenté sur le schéma de la figure 3, une chambre 12 d'alimentation en fluide arrivant suivant la flèche e', ainsi qu'une chambre collectrice 13 d'où le fluide sort suivant la flèche s', E (et S) désignant l'entrée (et la sortie) proprement dite du chicanage dont les parois sans ouvertures 14, 15 et 16 délimitent deux trajets pour le fluide. La figure 4 montre un exemple de réalisation particulier, conforme à l'invention, d'une chambre d'admission 18 du fluide entrant dans l'échangeur suivant la flèche e" par une tubulure 17. La chambre 18 est de forme annulaire et est comprise entre l'enceinte 1, le tube 2, une -plaque P d'extrémité de la chambre cylindrique 1 et une première chicane K. Cette chambre est séparée en deux compartiments au moyen d'une cloison radiale et verticale 19, située entre le tube 2 et l'enceinte 1 du côté opposé à l'en- trée 17 du fluide. Ce dernier circule suivant les flèches f, f1 dans la chambre 17 en direction de deux ouvertures 20 et 21, pratiquées dans la chicane K et situées de part et d'autre de la cloison 19.Le fluide, qui est donc également réparti de part et d'autre du tube central 2 suivant deux trajets, entre alors dans les deux filets du chicanage avec un mouvement descendant suivant les flèches i. La figure 5 est un schéma plan développé d'un chicanage à trois filets d'un échangeur thermique conforme à l'invention, comportant une cham- bre d'admission 22, dans laquelle le fluide entre suivant la flèche e'", et une chambre de sortie 23, d'où le fluide s'échappe suivant la flèche S. Les trois filets sont formés par les parois sans ouvertures 24, 25, 26 et 27 du chicanage dont la disposition est semblable à celle de la figure 1, les chicanes étant cependant dans ce cas réunies de trois en trois par des cloi sons radiales. Sur la figure 5, on désigne par L la portée maximale des n tubes et par 1 la hauteur d'un étage (un étage occupant le volume de l'enceinte i compris entre deux chicanes consécutives d'un même filet de fluide, par exemple le volume compris entre les chicanes Kt et K2, CI et C2, K2 et K3, Q et C3, etc... dans le cas du chicanage à double filet, ou le volume compris entre les chicanes K 24 et K 27 dans le cas du chicanage à triple filet de la figure 5). il faut ici distinguer les étages intermédiaires, tels que (K1 - K2), (K2 - K3) ou (C1 - C2) dans le cas du chicanage à double filet des figures I et 2, et les étages terminaux de ltéchangeur, par exemple K1 - K2) ou (K3 - K4). En effet, dans le cas des étages intermediaires dont la hauteur est 1, la portée des tubes a pour valeur 1/n, si n est le nombre de filets du chicanage. Cette portée est inférieure ou égale à l (cas dsun seul filet); mais elle est inférieure de toute façon à la portée de certains tubes des étages terminaux de l'échangeur.En effet, on comprend, sur la figure 1 par exemple, que certains tubes de l'échangeur ne traversent pas les deux premières chicanes horizontales K1 et CI, car celles-ci comportent des échancrures sectorielles. Ainsi ces tubes ont une portée égale à la hauteur entre la plaque 3 et la chicane K2, qui est supérieure à la portée des tubes traversant directement les chicanes KI et C1. Dans ce cas la portée maximale L2 des tubes est donc égale à : L2 = 1+ 1 = 1 (i + 2 où 1 est la hauteur d'un étage, c'est à dire la hauteur entre C3 et Cl, entre K1 et K2, entre Cl et C2. On peut écrire dans le cas général d'un chicanage à n filets que la portée maximale L des tubes vaut n Ln = 1 (1 + 1 ) n n dans le cas où n = i (un filet) L1 = 2 1 dans le cas où n = 2 (double filet) i = 3 1 2 On peut donc remarquer que, pour un chicanage à n filets et pour une môme longueur donnée de l'enceinte cylindrique 1, la distance entre chicanes successives est diminuée n fois, pour une même section de passage.Il en résulte l'avantage qui consiste en ce que le fluide est mieux guidé, ce qui permet d'éviter des "zones mortes" où le coefficient d'échange thermique est faible et où des dépits ont tendance à steffectuer. De plus, sans toucher aux dimensions extérieures de 11 appareil, il est possible de diminuer la portée des tubes, ce qui ne peut que contribuer à un meilleur maintien desdits tubes. En outre, dans le cas où le calcul thermique du dispositif conduit à des sections de passage du fluide telles que l'écartement entre chicanes n'assure plus un support correct des tubes, il est possible, grSce à la disposition de n filets en parallèle pour le fluide, de respecter la portée maximale admissible L en choisissant le nombre n des filets tel que : o L n, - I (i +1 ) n tout en conservant la section de passage nécessaire, sans augmenter l'écartement des tubes (d'où résulterait une augmentation du prix de l'appareil). On notera également que.le chicanage conforte à l'invention présente un autre avantage dans le cas des échangeurs thermiques verticaux dans lesquels circule un gaz contenant des produits condensés et où les condensats formés sont recueillis au niveau de chaque chicane et s'écoulent le long de ces chicanes. En effet, l'épaisseur du fila d'écoulement est d'autant pfus faible que le nombre des filets est élevé et la résistance thermique de ce film en est donc diminuée. Par suite, le coefficient global d'échange de chaleur est augmenté, pour une mEme perte de charge. Un cas d'application particulier est celui de déshydratation des gaz comprimés par réfrigération. on traite le gaz par refroidisseent, l'eau qu'il contient étant alors condensée et éliminée. Précisénent, dans ce cas on doit traiter de grands volumes de fluide et les pertes de charge doivent rester faibles ; l'application duchicanage holicoSdal à filets aulti- ples est donc ici particulièrement avantageuse étant donné que, dune part, on bénéficie d'une augmentation du coefficient global d'échange de chaleur (comme indiqué plus haut) et que, d'autre part, les produits condensés sont immédiatement séparés sous l'effet de la force centrifuge, due au trajet hélicoïdal du fluide guidé, et s'écoulent par gravité le long du chicanage. REVEND ICAT IONS i. Echangeur thermique constitué par une enceinte cylindrique traversée par un tube central et par un faisceau de tubes, dans lesquels passe un premier fluide, et comportant des chicanes, perpendiculaires au faisceau tubulaire les traversant et possédant respectivement des échancrures sectorielles décalées successivement les unes par rapport aux autres, entre lesquelles un second fluide circule en suivant un trajet hélicoTdal autour des tubes, caractérisé par le fait que les chicanes sont disposées de façon à former au moins deux filets hélicoIdaux en parallèle pour le second fluide. 2. Echangeur thermique suivant la revendication i caractérisé par le fait que lesdites chicanes sont reliées entre elles au moins de deux en deux par des éléments de cloisonnement plans radiaux faisant entre eux un angle constant. 3. Echangeur thermique suivant les revendications i et 2, caractérisé par le fait qutil comporte à l'une de ses extrémités, une tubulure cylindrique d'admission pour le second fluide, destinée à répartir ce dernier entre les deux filets et qui débouche dans enceinte de ltéchan- geur par une ouverture ménagée dans la paroi latérale de celle-ci de façon être séparée en deux parties égales par une chicane d'extrémité de l'appa- reil. 4. Echangeur thermique suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il comporte, à l'une de ses extrémités, une chambre d'admission pour le second fluide, destinée à répartir ce dernier entre les différents filets. 5. Echangeur thermique suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la chambre d'admission de forme annulaire, disposée entre le tube central et l'enceinte cylindrique et située à l'une des extrémités de cette dernière, comporte une ouverture latérale d'admission du fluide et une plaque annulaire possédant deux ouvertures symétriques, séparées par une cloison plane radiale, qui partage la chambre d'admission en deux compartiments aboutissant aux deux filets hélicoTdaux.