Brevet FR2096919A1 — publié le 19720303

25*212 1 *) ^ 0 0 1 "î z - ' • > i . - : «• , La présente invention a pour objet un perfectionnement' aùx"éciiaagèurs de chaTeur et plus particulièrement un perfectionnement aux vaporiseurs-réchauf-feurs de liquides froids. Pour éliminer les risques de formation de bouchons de glace que l'on cons 5 tate dans les dispositifs à circulation forcée d'eau dans des tubes, espaces annulaires et similaires, on a construit des installations de refroidissement de fluides dans lesquelles le froid nécessaire au refroidissemënt est apporté par de l'eau circulant d'une façon totalement externe au dispositif. En général, dans ces échangeurs de type connuj le fluide à traiter, c'est-à-10 dire à réchauffer et/ou à vaporiser-circule de bas en haut dans des tubes verticaux refroidis extérieurement par de l'eau qui s'écoule par gravité. On a, constaté qu'en munissait les tubes verticaux d'ailettes extérieures longitudinales, il était possible d'obtenir un écoulement continu de l'éau, le'long du tube,- sans décollement du film d'eau, et donc d'obtenir un meilleur 15 échange entre le fluide à traiter, c'est-à-dire à réchauffer et/ou à vaporiser et le courant d'eau de réchauffage. En fait, dans la réalisation de ces échangeurs de chaleur, on doit se plier aux deux exigences suivantes : d'une part ne pas retirer à l'intérieur du tube plus de frigories!que la "paroi n'est capable d'en évàciiercôté eau 20 sans formation excessive de glace, d'autre part apporter les frigories le plus uniformément possible en tous points de la paroi intérieure du .tube afin d'utiliser au mieux la surface d'échange extérieure, et de maîtriser les risques de formation de glace. •' Les échangeurs de chaleur à ailettes de type connu, rendent possible un 25 apport uniforme des frigories et doivent, pour permettre 11évacuation des frigories conformément à la première des deux exigences précédemment citées, présenter une surface d'échange côté eau la plus grande possible. En fait, les dispositifs connus exigent soit des longueurs de tube excessives, soit un trop grand nombre de tubes parallèles, ce qui présente l'inconvénient, notamment, 30 de rendre le prix des échangeurs classiques relativement élevé. La présente invention a pour objet un perfectionnement aux échangeurs" de' chaleur, et plus particulièrement aux vaporiseurs-réchauffeurs de liquides froids, permettant de pallier les inconvénients des dispositifs de type connu. 70 l'oVil 2 2C9u 919 Bien entendu, dans le cadre de la présente description et des revendications définissant l'étendue de la protection demandée, par "fluide à traiter", on entend aussi bien le.réchauffage proprement dit que la vaporisation. La présente invention a pour objet un procédé d'échange entre un fluide à 5 traiter, c'est-à-dire à réchauffer et/ou à vaporiser,et de l'eau de réchauffement, dans lequel d'une part on freine l'échange côté fluide froid, dans la zone très froide d'échange et, d'autre part, on accélère cet échange dans la zone la plus chaude. Il est ainsi possible d'une part en freinant l'échange dans la zone très froide 10 d'échange d'y maîtriser la formation de glace, et, d'autre part, en l'accélérant dans la z.one plus chaude de réduire la hauteur nécessaire à la vaporisation à une hauteur raisonnable. La présente invention se rapporte également aux dispositifs d'échange de chaleur formés de tubes verticaux dans lesquels le fluide à traiter, c'est-à-15 dire à réchauffer et/ou à vaporiser, circule de bas en haut et le réchauffement est dû à une circulation externe d'un agent liquide, ces dispositifs comportant ' ' " , ' • \ ' e • î. . . des moyens en vue de freiner l'échange dans la partie basse des tubes et des moyens en vue d'accélérer l'échange dans l'autre partie du tube. Suivant un mode de réalisation de l'invention, les moyens en vue de frei-20 ner l'échange consistent en un revêtement interne isolant formé par exemple de Teflon, disposé dans la partie basse des tubes, tandis que les moyens en vue d'accélérer l'échange dans la partie la plus haute des tubes sont formés d'ailettes. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens con-25 sistent en un mandrin central unique, disposé longitudinalement dans chaque tube, mandrin dont le diamètre est d'autant plus grand qu'on se rapproche du bout chaud. Suivant un autre mode de réalisation encore, lesdits moyens consistent en un mandrin central unique de diamètre constant, disposé longitudinalement dans 30 chaque tube, dont la surface forme une. spire à pas variable, le pas étant le plus grand dans la partie basse desdits tubes et le plus faible dans la partie la.plus élevée. Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, ces moyens consistent en un manchon disposé longitudinalement dans chaque tube et relié 35 à la paroi intérieure des tubes par des ailettes longitudinales, ce manchon permettant le passage axial du fluide à traiter dans la partie la plus basse des tubes tandis que dans, la partie haute, l'écoulement du fluide se fait dans les conduits formés par les ailettes, la paroi externe du manchon et la paroi intérieure du tube. 70 26112 3 2096919 Suivant un autre mode encore de réalisation de la présente invention, ces moyens consistent en des sillons tracés sur la périphérie d'un manchon central unique, disposé longitudinalement dans chaque tube, les sillons étant très profonds dans la partie basse des tubes et très peu profonds dans la partie 5 haute. Lesdits sillons peuvent être creusés longitudinalement ou hélicoîdalement. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et du mode de réalisation non limitatif décrit et représenté. 10 Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous, on décrit un échangeur conforme à l'invention formé de tubes d'échange de 5,50 m de hauteur, comportant 12 ailettes extérieures en alliage d'aluminium, obtenus par extrusion à partir d'une filière. Le choix du nombre d'ailettes a été en partie déterminé par le problème 15 du traitement de surface de l'aluminium en vue d'éviter la corrosion relative à l'utilisation éventuelle d'eau de mer ou d'eau industrielle corrosive. La protection du tube a été assurée par métallisation (projection de zinc de préférence à une matière plastique). La figure 1 représente un mode de réalisation d'un tube 1 suivant l'in-20 vention comportant un mandrin central 2 à diamètre d'autant plus grand qu'on se rapproche du bout ehaud. Sur la figure 2 est représenté un tube 1 suivant une variante de l'invention comportant des ailettes intérieures 3 pour augmenter la surface d'échange au bout chaud. 25 Le rapport surface d'échange côté eau/surface d'échange côté fluide peut ainsi varier de 2 à 4. Le dimensionnement du noyau central 2 s'effectue d'une façon pratique en calculant une température de paroi toujours positive. Le noyau central 2, constitué par 1'assemblage de tubes de diamètre va-30 riable, est bouché à la partie inférieure, le fluide se vaporisant entre le noyau et la paroi du tube extérieur. Le vaporiseur non représenté est constitué par l'ensemble de ces tubes verticaux assemblés en rideaux et supportés par un portique métallique reposant sur des dais en béton (non représenté). 35 Un collecteur d'eau non représenté permet d'alimenter les distributeurs arrosant les tubes par le haut. Un deuxième collecteur (non représenté) alimente les tubes par le bas en fluide froid. 70 l'Aôi 0 2C9J 917 Un troisième collecteur (non représenté), recueille, en haut des tubes, le fluide vaporisé ou réchauffé. Une cuvette recueille l'eau de ruissellement qui a servi à la vaporisation du fluide. 5 Les exemples ci-dessous sont donnés à titre illustratif et nullement li mitatif. Ils ont été-réalisés dans un échangeur tel que défini ci-dessus, l'agent de réchauffement étant de l'eau à 14°C, le fluide étant réchauffé ou vaporisé jusqu'à 0°C. EXEMPLE I : Vaporisation de méthane liquide à 75 bars. 10 Le noyau central 2 est formé de quatre sections successives 4, 5, 6 et 7 (figure 1 ) de diamètres respectifs de 25, 36, 45 et 48 mm sur des longueurs respectivement égales à 1 m, 1m, 1,50 m, 2 m. Dans ces conditions, la quantité de chaleur échangée par tube est de 70 000 Kcal/h. 15 EXEMPLE 2 : Vaporisation d'êthylène liquide à 40 "bars. Le noyau est formé de deux sections successives, de 45 mm et 48 mm, respectivement sur 1,50 m et 4 m. Dans ces conditions,, la quantité de chaleur échangée par tube est de 50 000 Kcal/h environ. 20 EXEMPLE 3 : Vaporisation d'êthylène liquide à 20 bars. On opère dans le même appareillage que dans le cas de 1'exemple 2. Dans ces conditions, la quantité de chaleur échangée par tube est de 25 000 Kcal/h. EXEMPLE 4 : Vaporisation d'azote liquide à 40 "bars. 25 Le noyau est formé de trois sections successives, de diamètres égaux à 48, 45 et 35 mm respectivement sur des hauteurs de 1,50, 0,50 et 3,50 m. Dans ces conditions, la quantité de chaleur échangée par tube est de 50 000 Kcal/h. EXEMPLE 5 : Vaporisation d'azote liquide à 20 bars. 30 On opère dans le même appareillage que dans le cas de l'exemple 4. Dans ces conditions, la quantité de chaleur échangée par tube est de 30 000 Kcal/h. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses autres variantes, 35 accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. 70 26*212 5 209:919 REVENDICATIONS 1. Procédé d'échange entre un fluide à traiter, c'est-à-dire à réchauffer et/ou à vaporiser, et de l'eau de réchauffement, caractérisé en ce que, d'une part, on freine l'échange côté fluide froid dans la zone très froide d'échange 5 et, d'autre part, on accélère cet échange dans la zone la plus chaude. 2. Dispositif d'échange de chaleur formé de tubes verticaux dans lequel le fluide à traiter, c'est-à-dire à réchauffer et/ou à vaporiser, circule de bas en haut et le réchauffement est dû à une circulation externe d'un agent liquide, ces dispositifs étant caractérisés par des moyens en vue de freiner 10 l'échange dans la partie basse des tubes et des .moyens en vue d'accélérer l'échange dans l'autre partie du tube. 3. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens en vue de freiner 1'échange consistent en un revêtement interne isolant formé par exemple de Teflon, disposé dans la partie basse des 15 tubes, tandis que les moyens en vue d'accélérer l'échange dans la partie la plus haute des tubes sont formés d'ailettes. 4. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens en vue de freiner 1'échange consistent en un mandrin central unique, disposé longitudinalement dans chaque tubç, mandrin dont le 20 diamètre est d'autant plus grand qu'on se rapproche du bout chaud. 5. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens consistent en un mandrin central unique de diamètre constant, disposé longitudinalement dans chaque tube, dont la surface forme une spire à pas variable, le pas étant le plus grand dans la partie basse des- 25 dits tubes et le plus faible dans la partie la plus élevée. 6. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens en vue de freiner l'échange consistent en un manchon disposé longitudinalement .dans chaque tube et relié à la paroi intérieure des tubes par des ailettes longitudinales, ce manchon permettant le passage axial du 30 fluide à traiter dans la partie la plus basse des tubes tandis que dans la partie haute l'écoulement du fluide se fait dans les conduits formés par les ailettes, la paroi externe du manchon et la paroi intérieure du tube. 7. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens en vue de freiner l'échange consistent en des sillons 35 tracés sur la périphérie d'un manchon central unique, disposé longitudinalement dans chaque tube, les sillons étant très profonds dans la partie basse des tubes et très peu profonds dans la partie haute. 8. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits sillons sont creusés longitudinalement ou hélicoîdalement.