Brevet FR2112006A1 — publié le 19720616

L'invention concerne un échangeur de chaleur par surface ce entre deux liquides, De nombreux échangeurs comportent deux circuits aiffetw rents dont l'un est partiellement immerge-dans le liquide du deuxième circuit, la transmission des calories s1 effectuant an travers de la partie de paroi immergée. Un inconvénient souvent rencontré est que l'efficacité de l'échange calorifique, qui dépend notamment de la vitesse de l'écoulement des deux liquides, est difficile à contrtler dans le deuxième circuit où il peut s'établir dtailleurs un pas- sage direct entrée-sortie, qui laisse inutilisée une partie de la surface de la paroi de transfert, sauf à réaliser un dispositif à chicane particulièrement onéreux et de nettoyage difficile. En outre, une perforation accidentelle de la paroi de transfert, difficile à constater, provoque un mélange indésirable des deux liquides. Enfin, dans de nombreux cas, l'utilisation de raccordements et -åoints étanches rend l'entretien de l'échangeur difi- cile et nécessite de longues durées d'immobilisation. Selon l'invention, on évite ces inconvénients par le fait que cette paroi de transfert est constituée de deux parois minces de transfert de chaleur appartenant respectivement à un circuit et à l'autre et étroitement appliquées ltune contre l'autre lorsque l'échangeur est en service, par le fait que chaque circuit est constitué par des poches verticales disposées en pa- rallèle, les poches des deux circuits étant imbriquées de façon que chaque pêche d'un circuit se trouve entre deux poches de l'au- tre circuit, par le fait que l'ensemble des poches des deux circuits est disposé entre deux parois rigides, parallèles aux pQ- ches, la distance de ces parois rigides et le nombre de poches étant déterminés de façon à laisser un jeu convenable entre les poches quand elles sont vides de liquide, leur déplacement laté- ral étant libre de toute entrave, et par le fait que l'un des circuits au moins est formé de poches dont les parois sont minces et souples, de façon que sous la pression du liquide qui y est admis, elles se gonflent et viennent occuper le jeu réservé ettre claque poche et lea poches voisines de l'autre circuit jusqu'à former un ensemble compact emprisonné entre les deux parois rigides extérieures qui en linitent ltexpansion. Bes poches des deux circuits sont alimentées respectivement à l'une et à }'autre de deux extrémités opposées du dispositif de façon à réaliser un contre courant. L'écoulement dans chacun des circuits s'effectue sous le seul effet de la gravité, des bacs d'alimentation, en charge convenable, alimentant chacune des poches du circuit intéressé par des tubulures appropriées. Les orifices de sortie des liquides hors des poches, sont alternativement à une extrémité puis à l'antre du dispositif, selon le circuit auquel appartient la poche. Sous l'effet de leur gonflement, les poches subissent une réduction de longueur qui, par construction, s'effectue li brument. Les poches des deux circuits étant libres dans leur déplacement latéral, prennent sous l'effet de leurs réactions mutuelles et de la quantité de liquide reçue par chacune d'elles, la position et l'écartement de parois correspondant aux condi- tions de marche. Sous la pression du liquide contre la face interne des parois de transfert des poches souples, leur face externe vient s'appuyer contre les parois de transfert souples ou rigides (suivant le cas) des poches voisines en épousant leur forme et en chassant tout l'air qui aurait pu s'interposer entre elles. Les conditions de marche généralement imposées dans l'emploi des échangeurs eonduiraient à des longueurs des poches très encombrantes ; pour y remédier, on dispose dans les poches de chaque circuit des chicanes qui imposent au liquide qui se déplace dans la poche un acheminement alternativement descendant et ascendant dans une série de canaux verticaux eouni- quant alternativement entre eux par leur base et par leur sommet et débouchant dans l'atmosphère par leurs parties supérieures où stétablit une surface libre de liquide de façon à éviter toute accumulation dgair génératrice de pression pouvant détériorer les poches et à faciliter leur nettoyage. L'ecouleGnt du liquide est provoqué par la différence de pression existant entre'les deux canaux extrêmes de chaque poche. On notera que ce dispositif est, dans son prineipe, analogue à celui décrit dans le brevet français 1.473.291 du demandeur. Pour faciliter la compréhension de l'invention, on décrira maintenant deux exemples de réalisation d'un échangeur conforme à l'invention, l'un dans lequel les deux circuits sont à poches souples, l'autre dans lequel l'un des circuits est à poches rigides, en référence aux figures du dessin joint sur le quel - la figure 1 est une vue de face élévation schématique de l'une des poches souples d'un échangeur - la figure 2 est une coupe horizontale d'un échangeur avant deux circuits à poches souples du type de la figure 1 - la figure 3 est une coupe horizontale d'une réalisation de 1' échangeur de la figure 2 darus laquelle des moyens sont prévus pour faciliter la vidange des poches, et - la figure 4 est une coupe horizontale d'un échangeur dont un des circuits est à poche rigide. La poche représentée sur la figure i est constituée par une portion de gaine P en feuille de matière plastique, disposée dans un plan vertical, la bordure inférieure 8 étant disposée horizontalement et la bordure supérieure 9 étant ouverture sur toute la longueur de la poche. De place en place, les deux parois de la gaine sont encore réunies par des ligues de soudure 2 à 6 qui coopèrent avec les extrémités 1 et 7 de la gaine pour déterminer six canaux ci à C6. Un dispositif d'alimentation 10 alimente le canal par un aautage il, le liquide parcourant successivement les ca naux dans le sens indiqué par les flèches pour se déverser par un ajustage 12 dans un collecteur 13. les différentes poches P et P' des deux circuits sont placées côte à côte de façon alternée entre deux parois rigides 14 et 15 comme le montre la figure 2. Dans cet exemple, les deux circuits sont supposés constitués de poches à parois souples. Sur la figure 2, on nla pas représenté les dispositifs dXalimentation et d'évacuation des poches des deux circuits, mais on a indiqué par des flèches ces alimentations et ces éva cations. Dans un tel échangeur, même lorsque l'alimentation en liquide est arrêtée, la compacité de 11 ensemble des poches entre les deux parois rigides d'extrémité est grande et un dispositif du vidage presque intégral des poches est indispensable pour séparer et retirer les éléments L'écartenent des deux parois 14 et 15, augmentant ltespace disponible, provoquerait un accroissement de l'écarte- ment mutuel des parois des poches des deux circuits mais serait insuffisant pour en permettre la prise en main sans risquer de provoquer une déchirure de leurs parois. Au contraire, par la réduction de l'espace occupé par les poches, les deux parois de chacune d'elles se rapprocheraient l'une de l'autre, assurant sa vidange, au travers de l'orifice normal de sortie. La compression nécessaire peut être réalisée mécaniquement, ou, de préférence par l'intermédiaire de poches àparois minces, ne comportant pas de chicanes et gonflables par irtro- duction dzz liquide entre leurs parois avec une pression suffisante, ces poches pouvant être intercalées entre les poches des circuits, et de préférence, séparées de celles-ci par une paroi rigide mobile destinée à régulariser la compression malgré le ventre de la poche de vidage intéressée0 La fi,rrure:3iiBlustre une réalisation comportant une telle poche gonflable 17 avec une paroi rigide mobile 17' apte à répartir et à transmettrè pression de la poche aux poches des circuits. On comprend que la résistance à l'évacuation du liquide des circuits, par lsorifice normal de sortie, est moindre pour les canaux aval que pour les canaux amont aussi sous la pression subie, ceux-li se videront avant les canaux amont et Ruand leurs parois seront venues en contact, le processus de vidage sera interrompu. Pour l'achever, et selon l'invention, un siphonnage par siphon 13 des canaux amont C1 est établi, assez lent pour éviter son désamorçage avant épuisement du liquide des autres canaux. Le siphanqge peut être amélioré en utilisant pour la formation des canaux des chicanes discontinues qui, du fait de la pression des poches de vidage, assureront pendant cette période une intercommunication entre tous les canaux malgré les déformations dues à la contraction, alors que pendant la marche, la faible dépression entre les canaux délimitera une vidange même partielle des poches qui décollera les dépôts ou tartres adhérant à leurs parois. Il suffira, après la vidange des canaux des circuits obtenue, de siphamer les poches de vidage pour rétablir le jeu nécessaire à la passe en main des poches. Dans le cas de chicanes ainsi discontinues, les siphons peuvent être disposés dans des canaux quelconques des poches. Les bords supérieurs d'une poche sont soit rapprochés presque à l'étanchéité, soit au contraire très écartés sous effet de la contraction de la longueur de la poche. Etant donné la souplesse des parois des poches, leur disposition d'ensemble et leurs alimentations par gravité à contre courant, les surfaces libres dans les différents canaux s'établissent en service dans un même plan horizontal, et les niveaux dans les différentes poches du dispositif s'établissant également en service, dans un même plan ; en cas d'irrégularité dans la répartition du liquide entre les différentes poches d1un circuit, les parois des poches sous alimentées se rappro- chent, les parois desutres poches s'écartant d'une même valeur, puisque l'espace occupé entre les deux parois rigides eo- térieures est constant. Dans la disposition présentée sur la figure 2, les différentes poches ayant des largeurs égales sont, de ce fait, supposées avoir des débits liquides égaux. D'autre part, les soudures formant les chicanes des poches sont représentées en concordance ce qui donne une etfica- cité maximale pour 1e cintre courant; et des pertes de charge mi nimales, mais des ~r~érularitds in titables dans la contradiction des poches à leur rezplissage, sigles sont sans effet no table sur le fonctionnement peuvent affecter l'efficacité et la perte de charge. On réduit cet inconvénient en suspendant les poches vides de liquide, lors de leur mise en place entre les parois 14 et 15, à une broche qui les traverse par un orifice central 16 (figure 1) et repose sur ces parois. En marche, cette broche est sans action et peut titre retirée, la pression due au gonflage des poches contre les deux parois rigides a'extrémité suffit à les supporter. Une bonne répartition convenable du liquide entre toutes les poches d'un circuit et une alimentation simultanée des deux circuits assurent la régularité convenable de la contraetion des poches. Il est à noter que le nombre des canaux et les dimensions des espaces entre les soudures chicanes peuvent varier dans de grandes limites sans troubles appréciables. Dans tout ce qui précède, les liquides sont supposés de meme densité, mais le cas de liquides ayant des densités différentes n'apporte pas de modification importante au dispositif. Â titre indicatif, pour une distance de 1OOm/ entre les deux parois rigides d'extrémité, l'usage de six canaux pour chaque poche d'un circuit et un débit par circuit de 1.000 litres d'eau à l'heure, en utilisant des poches de 660 Il de long avant contraction et 600 mm en service, comportant six canaux, on obtient environ un coefficient global de 150 cHO avec une perte de charge de 8 à 10 cm. Les poches sont, par exemple, en polyéthylène haute pression de 20/100 ma d'épaisseur. La figure 4 est relative à ui échangeur formé dtun circuit à poches souples P et dtun circuit à ponhes rigides mé- talliques P". lans un tel échangeur, la traversée de la paroi de transfert métallique n'exige qu'un écart de température à peine supérieur à celui d'une paroi de transfert souples unique, mais, pour un même résultat, le prix est plus élevé que si les deux circuits étaient souples. Les parois rigides sont aussi minces que possible pour améliorer la transmission de chaleur et réduire le pris. Un excès de pression dans le circuit rigide par rapport au cir cuit souple donnerait aux parois -rigides une flèche les endommageant à moins drune construction onéreuse soudant les chicanes intérieures, aussi les orifices de sortie des poches rigides sont, de préférence, situés à un niveau inférieur à ceux des orifices de sortie des poches souples, pour que, en service, il y ait surpression dans ce dernier, tandis que le rapprochement des deux parois d'une poche du circuit rigide est chaque fois limité par des chicanes rigides formant butées. Elles sont de préférence mobiles de façon que par une obstruction partielle des orifices d'évacuation, on égalise ou on inverse les pressions relatives des deux circuits, en permettant l'enlèvement des chicanes, ce qui facilite le nettoyage des poches du circuit rigide restées en place. La continuité de la surface de contact des poches rigides avec les parois des poches souples facilite la contraction de la longueur de celles-ci et améliore l'efficacité du transfert de calories. XEVENDICATIOWS 1. Echangeur de chaleur par surface entre deux liquides, comportant deux circuits d'écoulement, un par liquide, dans lequel chaque circuit est constitué par des poches préfabriquées et amovibles dont les parois sont utilisées pour le transfert de calories et qui sont disposées cete à côte dans l'espace séparant deux parois rigides verticales d'écartement prédéterminé qui limitent latéralement l'échangeur, les poches étant parallèles aux dites parois rigides, les poches réservant entre elles, lorsqu'elles sont vides de liquide, un jeu convenable qui est déterminé par la distance entre les parois rigides et par le nombre de poches introduites, les poches de l'un au moins des circuits ayant des parois minces et souples, de façon que sous le poids et la pression du liquide qui y est introduit, elles se gonflent et viennent occuper ledit jeu pour former' en service un ensemble compact emprisonné entre lesdites parois rigides qui en limitent l'expansion, les poches des deux circuits étant imbriquées de fa çon que chaque poche d'un circuit, à l'exception des poches d'extrémité, se trouve entre deux poches de l'autre circuit, un contrecourant des liquides circulant dans les deux circuits étant réalisé en alimentant respectivement les poches des deux circuits à l'une et à l'autre des extrémités opposées de l'échangeur, et les poches de chaque circuit comportant des chicanes verticales interrompues alternativement avant d'atteindre le sommet et le fond de chaque poche pour former entre elles des canaux qui sont ouverts à l'atmosphère au sommet et imposent au liquide qui s'y déplace sous le seul effet de la gravité un cheminement alternativement descendant et ascendant, et présentetune surface libre en haut de chaque canal. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif auxiliaire de maintien des poches qui ne s'oppose pas au rapprochement relatif des chicanes résultant de la mise en écoulement de liquide dans les poches à parois souples et du gonflement qui en résulte, non plus qu'au déplacement des poches entre les parois rigides extérieures. et aux élargissements ou rétrécissements des canaux à parois souples dues aux variations de pressions extérieures ou intérieures auxquelles ils sDnt soumis. 3. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce klue ledit dispositif de maintien est une broche passant dans des oerforations des poches. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour réaliser la vidange des poches à parois souples par siphonage d'un canal quelconque de celles-ci.