Brevet FR2132183A1 — publié le 19721117

i 2132183 L'invention concerne des échangeurs de chaleur du type comprenant une zone d'écoulement dans laquelle un agent liquide de transfert thermique qui doit être traité passe sous forme d'une pellicule mince pratiquement plane, la zone d'écoulement étant 5 limitée, sur l'une au moins des côtés de la pellicule, par un plateau de transfert thermique qui délimite également en partie une zone d'écoulement pour un second agent de transfert thermique. Un tel échangeur de chaleur peut être du type à plateaux munis de garnitures, dans lequel des zones d'écoulement successives 10 sont formées entre des plateaux disposés face à face à distance mutuelle et sont/limitées par des garnitures d'étanchéité qui servent en même temps à guider le courant des agents à partir et en direction de conduits d'alimentation et de retour pour ces agents, conduits qui sont généralement formés par des ouvertures alignées 15 dans les .plateaux. Selon un autre mode de réalisation, l'échangeur de chaleur peut être du type dans lequel les plateaux sont soudés les lins aux autres pour former des cellules s'e composant d'un groupe de zones d'écoulement et de collecteurs pour l'alimentation.et l'éva-20 cuation des agents de transfert thermique. Dans le type d'échangeur de chaleur à plateaux munis de garnitures, lequel est largement répandu, on constate une tendance vers une augmentation de la dimension des plateaux. Lorsque, comme cela se pratique d'habitude, les plateaux sont en acier inoxydable 25 ou en un autre métal ou alliage et sont, munis de séries d'ondulations ou autres profils destinés à favoriser une turbulence, le coût des outils de pressage et des presses pour le façonnage des plateaux devient très élevé. Il y a lieu de noter que les profils favorisant la turbulence remplissent en même temps un rôle de renfort 30 pour les plateaux, empêchant la déformation de ceux-ci sous l'effet de la pression de service, et que le croisement des ondulations, ou la coopération d'autres profils sert également à fournir un support entre les plateaux pour éviter une déformation de ceux-ci, cette fonction étant de plus en plus indispensable dans les échangeurs de 35 .chaleur classiques, au fur et à mesure que le format des plateaux augmente. 72 11040 2 2132183 L'invention représente un abandon délibéré de ces types classiques d'échangeur de chaleur, en ce sens qu'une flexion contrôlée des plateaux est mise en oeuvre pour provoquer la turbulence et favoriser le transfert de chaleur. 5 II a déjà été proposé d'utiliser des plateaux souples avec des organes "d ' écartement qui ne s'étendent que su:ç/une partie de la section d'une zone d'écoulement lorsque les plateaux sont à l'état"non fléchi, et de provoquer, d'une manière ou d'une autre, line flexion des plateaux. Le but recherché était de permettre le 10 dépôt d'impuretés, sous forme par exemple de matières fibreuses, qui s'amoncellent sur les organes d'écartement pour être évacuées par des canaux d'aiguillage en fonction des besoins. A tous autres • égards, le mode de fonctionnement était classique. L'invention consiste en un procédé de "traitement thermique 15 d'un premier agent liquide de transfert de chaleur, consistant à le faire passer en une pellicule plane relativement mince dans une zone d'écoulement, délimitée d'un côté au moins par un plateau souple et plat de transfert thermique, et à provoquer périodiquement une flexion du plateau pour faire varier la section transversale de 20 la zone d'écoulement, tout en faisant passer un second agent, en rapport de transfert thermique avec le premier agent par l'intermédiaire dudit plateau de transfert thermique. La présente invention consiste en outre en un échangeur de chaleur du.ty^e comprenant au moins une zone d'écoulement pour-25 le passage d'un premier agent liquide de transfert thermique sous la forme d'une pellicule plane relativement mince, la zone ou chaque zone d'écoulement étant délimitée, d'un .côté au moins, par un plateau de transfert thermique pratiquement plat qui sert à délimiter en partie une zone d'écoulement pour un second agent de 30 transfert thermique, et des moyens pour provoquer périodiquement la flexion du plateau plat de transfert thermique en vue d'une variation périodique donnée de la section transversale de la zone ou de chaque zone d'écoulement pour le premier agent de transfert ther-. mique. 35 Ainsi, on évite la nécessité des outils coûteux de pres sage pour-des formes complexes d'ondulations favorisant la turbulence . 72 11040 3 2132183 De plus, la flexion du plateau lui-même permet d'obtenir un transfert de chaleur satisfaisant avec des substances très visqueuses qui ne peuvent pas être mises à l'état de turbulence par les nervures classiques favorisant la turbulence. Ordinairement, 5 ces matières visqueuses sont traitées dans un échangeur de chaleur dit à surfaces balayées, et un échangeur de chaleur selon l'invention, avec un nombre relativement petit de passages d'écoulement de la matière visqueuse, pouvant même être réduit à un, peut assurer un transfert de chaleur satisfaisant. 10 Des dispositions peuvent être prises pour que la flexion .•périodique des plateaux provoque un déplacement presque total de l'agent liquide dans la zone d'écoulement., de sorte qu'il ne reste • plus, à certains instants du cycle, que des pellicules très minces à la suite de quoi la section est augmentée et il se produit un 15 accroissement du courant. L'effet de déplacement dans le canal d'écoulement, en introduisant des vitesses dirigées autrement que dans la direction normale du'courant, améliore la distribution. On pouvait reprocher aux modèles antérieurs d'échangeur de chaleur à' plateaux plats que le transfert thermique était in-20 férieur à celui d'échangeurs à plateaux munis d'ondulations favorisant la turbulence, à moins que les plateaux soient très voisins les uns des autres, ce qui se traduit par une mauvaise distribution dans la direction transversale de la zone d'écoulement et par un engorgement possible par l'accumulation de particu3.es 25 solides en suspension. La flexion périodique résout ces problèmes. Dans les zones d'écoulement du second agent, il peut être prévu un système de support, par exemple en métal déployé ou en treillis de matière plastique. L'échangeur de chaleur se composera donc de plateaux plats et minces qui peuvent être considérés comme 30 des membranes flexibles, les canaux d'écoulement du produit à traiter étant dépourvus de tout obstacle intérieur, tandis que les zones d ' écoulement du second a -ent contiennent une grille ou treillis de support. Les plateaux d'écoulement du produit à traiter peuvent être soudés ou tous les plateaux peuvent être ét'anchéi-35 fiés par des garnitures de caoutchouc ou d'amiante. Dans le cas du modèle à garnitures, il peut être prévu un support externe et interne pour la garniture. Des gorges-à garniture peuvent être in- 72 11040 4 2132183 troduites dans le plateau, ce qui n'exige qu'une opération limitée de.pressage à la périphérie de la surface du plateau, ou il peut être prévu des cadres de support disposés entre chacune des membra . nés constituant les plateaux plats et minces. 5 Si nécessaire, un treillis ou autre système de support compressible peut être également introduit dans les zones d'écoulement pour le produit à traiter, bien que cela réduise le degré de flexion possible. D'autre part, cela augmentera-la turbulence 'inhérente du système d'écoulement. 10 II est visible que lorsqu'on provoque une flexion des plateaux pour faire varier la section d'écoulement, la fréquence et l'amplitude de ces variations peuvent être choisies de façon à provoquer .des variations du débit et à modifier la distribution des vitesses, les conditions de retenue et également le transfert 15 thermique. Dans certaines circonstances, des dispositions peuvent être prises pour que la flexion du plateau fournisse un effet de pompage, en particulier dans un échangeur de chaleur à passages multiples, comprenant des grilles de connexion entre les passages. 20 La flexion du plateau peut être produite par une pression hydraulique extérieure ou par des moyens mécaniques. Dans le cas d'une pression hydraulique extérieure, celle-ci peut être appliquée à partir des zones d'écoulement pour le second agent. L'effet de pompage produit peut remplacer ou renforcer celui de. la pompe prévue pour 25 l'agent en question. La surface souple de transfert thermique peut être beaucoup plus mince que celle qui est utilisée dans les modèles classiques d'échangeur de chaleur à plateaux pressés, -^e matériau souple peut être un métal ou un film de matière plastique simple ou stra-30 tifié, en utilisant des matières telles que le chlorure de polyviny-le, le polypropylène ou le polytétrafluoréthylène. Bien que la con-ductivité thermique de ces matières plastiques soit faible, les plateaux du type membrane peuvent être suffisamment minces pour offrir une solution économique en comparaison des plateaux métalli-35 ques pressés de type classique. Lorsqu'on utilise des plateaux de matière plastique, l'épaisseur ou le module d'élasticité à proximité immédiate des bords t • 72 11040 5 2132183 de ces plateaux peuvent être choisis de manière à assurer un effet de-déplacement uniforme sur toute l'étendue du canal d'écoulement. Des modifications du module d'élasticité peuvent être produites par irradiation du polymère dans des zones locales. 5 Pour ce qui est du problème particulier du traitement de li quides très visqueux, l'invention peut être appliquée avantageusement dans un unique canal d'écoulement. Dans ce cas, le fluide de traitement, c'est-à-dire l'autre agent, passera à travers des cham-bz'es d'un côté ou des deux côtés du canal de transfert thermique. 10 En faisant varier la pression dans ces chambres, on obtiendra un effet de pompage, tout/én établissant des conditions favorables à un bon transfert de chaleur. L'invention est ci-après décrite de façon plus détaillée en référence aux dessins ci-annexés. 15 Les figures 1 et 2 sont des schémas qui illustrent la structure et le mode de fonctionnement d'une forme de réalisation d'un échangeur de chaleur selon l'invention. La figure 3 est une vue, analogue à celle de la figure 2, d'une forme de réalisation modifiée d'échangeur de chaleur. 20 La figure 4 est une coupe selon la ligne X-X de la- figure 3. Les figures 5,6 et 7 illustrent trois modes de réalisation d'un système de réglage de pression utilisable dans des échangeurs de chaleur. 25 Les figures 8 et 9 sont des schémas destinés à illustrer un effet de pompage dans un échangeur de chaleur à pâssages multiples. La figure 10 enfin est un schéma représentant un système de commande de pression dans un échangeur de chaleur à passages multiples. 30 Sur les figures 1 et 2, auxquelles on se référera pour com mencer, il a été représenté un groupe de plateaux 1 délimitant des zones d'écoulement PA et PB pour deux agents thermiques, à savoir le produit à traiter et un fluide de traitement respectivement. Les zones PB d'écoulement du fluide de traitement sont bourrées "d'une 35 grille ou treillis de support 2. Dans l'état représenté sur la figure 1, la pression du produit à traiter est un peu supérieure à celle du fluide de traitement, si bien que les plateaux sont apla 72 11040 6 2132183 tis contre la grille de support 2, de sorte que la section nominale de passage dans les zones d'écoulement du produit à traiter est maintenue. Dans un exemple de réalisation de ce principe, on a utili-5 se des plateaux d'acier inoxydable dont la surface de transfert thermique mesurait 914 x 1524 mm. les plaques étaient séparées par une distance de 3,175 mm et étanchéifiées, au niveau de leurs bords périphériques, par des garnitures de caoutchouc tradition-.nelles. Une ou plusieurs soupapes d'arrêt étaient prévues pour as-10 surer que le produit à traiter s'écoule exclusivement par le côté évacuation du canal d'écoulement du produit. Pour atteindre l'état représenté sur la figure 2, une surpression de plus de 0,14 kg/cm est appliquée aux chambres du fluide de traitement, ce qui provoque un déplacement dans le canal du produit à' traiter correspondant à 15 une réduction de 2,54 mm de l'écart des plaques. Pour assurer le maintien d'un canal d'écoulement suffisant du côté du. produit à traiter pendant la partie remplissage du cycle, il est préférable de maintenir une surpression de 0,14 kg/cm au moins entre le canal du produit à traiter et les canaux du-fluide de traitement. Ainsi, 20 la variation de pression entre les. deux canaux oscille entre 2 2 -0,14 kg/cm et + 0,14 kg/cm . la fréquence de variation de pression dépend du produit à traiter, de sa viscosité et de ce qu'il est saturé ou non de gaz. Selon les matériaux de construction et en fonction du problème de transfert thermique, la fréquence de 'chan-25 gement de pression sera comprise entre 0,1 et 2 périodes par seconde. ' . l'air ou tout autre gaz devra être exclu du système, car sa compressibilité absorberait les impulsions de pression et limiterait leur effet sur les plateaux eux-mêmes. 30 Si l'on utilise des plateaux de rigidité uniforme, ces plateaux 1 ont tendance à se courber vers l'extérieur à partir de leur état plat (indiqué en traits discontinus sur la figure 2), de sorte que leur flexion maximale n'est atteinte que dans la région centrale des plateaux. Afin de parvenir à une flexion plus marquée 35 sur une plus grande surface du plateau, les plateaux peuvent comporter une zone de faiblesse 3 à proximité de leurs bords, selon ce qui est indiqué sur les figures 3 et 4. Dans cette forme de 72 11040 7 2132183 réalisation, les plateaux se comportent comme des diaphragmes et toute la région située à quelque distance des bords se déplace en bloc, comme une zone pratiquement plane, en direction du plateau voisin, à partir de la position de repos indiquée en traits dis-^ continus, 'si bien qu'il se produit une plus grande réduction de volume dans la zone d'écoulement. la figure 5 illustre l'une des manière possibles pour réaliser une variation périodique des conditions hydrauliques, par un étrangLement périodique du côté sortie de la zone PB d'écoule--j^q ment du fluide de traitement. On y parvient en utilisant un système d'étranglement, se composant de branches parallèles qui contiennent respectivement une soupape réglage 4 et une soupape réglable 5 en série avec une soupape 6 d'ouverture-fermeture. Ce système à trois soupapes offre l'avantage de permettre un réglage du niveau de pression au moyen des soupapes réglables, d'éviter une coupure complète lorsque la soupape 6 est fermée et de permettre le réglage de la pression différentielle. La figure 6 illustre un dispositif dans lequel un système de soupapes 4, 5 et 6 est prévu à chacune des sorties des zones PA 20 et .PB d'écoulement du produit à traiter et du fluide de traitement. Comme le montre la figure 7, il est également possible de prévoir le système d'étranglement, formé des soupapes 4,5 et 6, du côté admission de l'un et/ou de l'autre des systèmes de courant. Il est également possible d'étrangler le côté sortie du courant du 2^ produit à traiter. Les figures 8 et 9 montrent comment une variation périodique de la pression d'un côté de 1'échangeur de chaleur peut exercer un effet de pompage sur l'autre côté. Les plateaux 1 représentés délimitent un passage descendant la flanqué de deux passa-30 ges ascendants lb. Un seul conduit d'écoulement du produit à traiter a été représenté pour chaque passage, mais il est bien entendu que chaque passage peut être constitué par un certain nombre de conduits d'écoulement en parallèle. Des soupapes d'arrêt 7,8 et 9 sont prévues. 35 Lorsque la pression est élevée du côté fluide de traitement des passages ascendants lb et qu'elle est basse du côté fluide de traitement du passage descendant la, le produit traverse les sou 72 11040 8 2132183 papes d'arrêt 7 et 9, tandis que la soupape d'arrêt 8 est fermée. -A l'inversion des conditions de pression, de sorte que le système passe de l'état de la figure 8 dans celui de la figure 9, la soupape d'arrêt 8 s'ouvre et les soupapes d'arrêt 7 et 9 se ferment, 5 de sorte que le produit à traiter pénètre dans les passages ascendants et quitte le passage descendant dans la direction de son avance. Le produit est donc pompé successivement à travers les soupapes d'arrêt 7, 8 et 9 par la variation de pression périodique .au niveau des côtés fluide de traitement, se produisant avec un 10 déphasage de 180° o La figure 10 représente une forme simple de système de commande pour la manoeuvre d'un échangeur de chaleur à passages multiples, tel que décrit à propos des figures 8 et 9- Une pompe 11 pour le fluide de traitement alimente deux conduites d'admission 15 12 et 13 pour les passages ascendants et descendant lb et la respectivement, et les conduites de sortie pour le fluidë de traitement sont équipées de systèmes d'étranglement variables, constitués par trois soupapes 4,5 et 6 selon ce qui a été décrit à propos de la figure 5»' Une pompe 14 de produit à traiter est prévue pour as-20 surer le remplissage du premier passage ascendant lb. Les soupapes d'ouverture-fermeture 6 fonctionnent en opposition de phase pour produire l'effet de pompage décrit ci-dessus. Les niveaux d'impulsions, fixés par les soupapes réglables 4 et 5 dans les systèmes étranglement, peuvent être réglés automatiquement en fonction des 25 niveaux de pression qui régnent dans les canaux opposés d'écoulement du produit à traiter, par un équipement de commande approprié ei/cas de besoin. En cas de fonctionnement avec passages multiples, il pourra y avoir suffisamment d'étages, et aussi une pression différentielle suffisante pour provoquer une obturation complète 30 du passage d'écoulement dans des étages successifs de l'équipement, ce qui donne lieu à un effet de pompage comparable à celui d'une pompe péristaltique. Dans le cas d'un passage unique de transfert thermique ou d'une paire de passages disposés dos à dos, il existe également la 35 possibilité de produire la compression du canal d'écoulement par des moyens mécaniques, analogues au rouleau utilisé dans un modèle de pompe péristaltique, mais il est bien entendu que cela limi- 72 11040 2132183 tera le transfert thermique à une seule paroi de la chambre d'écoulement . En comparaison de 1'échangeur de chaleur à surfaces balayées, un modèle, même aussi simple, fournira une surface de transfert thermique beaucoup plus grande et à un moindre coût par m2. Différentes modifications peuvent être introduites sans que l'on s'écarte du cadre de l'invention. 72 11040 10 2132183 - REiœUDI CATIONS - 1.- Procédé pour le traitement thermique d'un premier agent liquide de transfert thermique en rapport d'éhhange de chaleur indirect avec un second agent de transfert thermique à travers un plateau de transfert thermique, dans lequel le plateau 5 de transfert thermique est mince et souple et délimite en partie une zone d'écoulement pour le premier agent de transfert thermique, caractérisé par le fait que le plateau subit une flexion périodique pour faire varier la section transversale de la zone d'écoulement pour le preraier agent de transfert thermique tandis que celui-10 ci parcourt cette zone. 2.-' Echangeur de chaleur du type qui comprend au moins une zone d'écoulement pour le passage d'un premier agent liquide de transfert thermique sous la forme d'une pellicule plane et relativement mince, cette zone ou chacune de ces zones d'écoulement 15 étant délimitée, d'un côté au moins, par un plateau pratiquement plat de transfert de chaleur qui sert à délimiter partiellement une zone d'écoulement pour un second agent de transfert thermique, caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyens pour provoquer une flexion périodique du plateau plat de transfert de chaleur en 20 vue d'une variation périodique donnée de la section transversale de la zone ou de chaque zone d'écoulement pour le premier liquide de transfert thermique. 3.- Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la zone d'écoulement du second agent con- 25 tient un système de support. 4.- Echangeur de chaleur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que les zones d'écoulement sont feimées hermétiquement par des garnitures d'étanchéité. 5.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des 30 revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que la flexion du plateau de transfert thermique est produite mécaniquement. 6.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que la flexion du plateau ou des plateaux de transfert thermique est produite par 35 une pression hydraulique. 72 11040 ii 2132183 7.- Echangeur de chaleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la pression hydraulique est la pression différentielle entre les zones d'écoulement pour le premier et le second agents de transfert thermique, et qu'il est prévu des mo-5 yens pour'faire varier périodiquement cette pression différentielle . 8 - Echangeur de chaleur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens de variation périodique sont constitutués par un système d'étranglement dans l'un des courants 10 d'écoulement ou dans les deux. 9.- Echangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le système d'étranglement comprend deux branches en parallèle, l'une de ceshranches contenant une soupape réglable et l'autre branche contenant unejsoupape réglabl^én série 15 avec une soupape d'ouverture-fermeture. 10.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé par le fait que lespLateaux de transfert thermique qui doivent être fléchis présentent une zone d'affaiblissement à proximité de leurs bords. 20 11.- Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, du type à passages multiples, caractérisé par le fait qu'il est prévu une soupape d'arrêt entre chaque paire de passages.