Brevet FR2122577A1 — publié le 19720901

r 72 02040 -1- 2122577 La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur pour mélanges liquides-solides, notamment pour fluides "boueux exigeant une pression de circulation élevée, allant par exemple jusqu'à 20 atm.effect. 5 II existe de nombreuses utilisations des échangeurs pour les fluides de "bonne fluidité ou de bonne capacité d'écoulement, tels que les gaz et les liquides. Dans le'cas de' fluides de faible capacité d'écoulement, il n'y a jusqu'à présent que peu d'exemples d'emploi d'échangeurs de chaleur. Il existe pourtant 10 un besoin, dans la pratique, d'échangeurs de chaleur adaptés à de tels fluides, ce que l'on va expliquer dans les lignes qui suivent - sans limiter pour autant le champ d'application de la présente invention - sur l'exemple d'une installation moderne d'épuration de matières fécales. Dans de telles installations 15 d'épuration, la boue à épurer est tout d'abord portée à une température d'environ 200°C afin que même les corps finement divisés coagulent, puis elle est conduite à un dispositif de filtrage, en "général un filtre-presse à chambres'ou à plaques. Pour des raisons d'économie, on est amené à procéder à un échan-20 ge de chaleur entre la boue déjà chauffée et la boue encore froide. Dans les stations d'épuration connues qui fonctionnent selon le principe que l'on vient de décrire, les échangeurs de chaleur sont constitués par des appareils à double tubulure, 25 avec tubulure extérieure et tubulure intérieure parcourus en sens inverse par la boue froide et la boue chaude. Un tel appareil à double tubulure peut être parfaitement adapté aux pressions de circulation élevées qui sont nécessaires, mais la section de circulation du tube extérieur notamment apparaît com-30 me un élément défavorable compte tenu de là faible capacité d'écoulement de la boue. Pourtant, l'inconvénient le plus déterminant est la difficulté et la complication du nettoyage de ^ces appareils à double tubulure. Or étant donné les boues que^ l'on a à traiter, il est inévitable qu'il se produise au bout 35 d'un temps relativement court des dépôts de matières solides sur les surfaces par où se fait l'échange de chaleur, ce qui, comme chacun sait, réduit considérablement cet échange. Aussi est-il absolument indispensable de nettoyer l'échangeur de chaleur à intervalles réguliers. Dans les échangeurs de chaleur 4-0 connus, à double tubulure, dans lesquels les deux tubes sont COPY 72 02040 2122577 en forme de serpentins, les coudes de ces doubles tubulures doivent alors être constitués par des raccords courbés séparés qui se fixent par des brides aux tronçons rectilignes des tubes. Pour procéder à un nettoyage, il faut donc tout d'abord dévisser 5 tous les coudes de la double tubulure et nettoyer ensuite un à un tous les éléments droits et coudés, ce qui représente un tel travail que l'intérêt même du procédé de purification tel qu'on vient de le décrire se trouve remis en question. Pour d'autres domaines d'application, on connaît de nom-10 breux autres types d'échangeurs de chaleur, par exemple des échangeurs à faisceaux de tubes ou à aiguilles (tubes de ïield). Hais dans tous ces types d'échangeurs de chaleur, qui fonctionnent avec des conduites tubulaires, il faut s'attendre par principe aux mêmes difficultés lors du nettoyage. 15 Par contre, les échangeurs dits à plateaux comme .ceux que l'on utilise par exemple dans les laiteries et dans les brasseries, pour des fluides il est vrai de plus grande capacité d'écoulement , sont connus comme étant faciles à nettoyer. Dans ces échangeurs à plateaux, qui ont une structure analogue à celle 20 de filtres-presses, les plateaux voisins délimitent deux à deux une chambre à fluide chaud ou froid, la plupart du temps rectangulaire, qui est.en général traversée en diagonale par le fluide, des tôles de guidage réparties sur la surface de la chambre où circule le fluide venant en outre dans la plupart des 25 cas créer des effets spéciaux de turbulence qui ont pour but d'éditer la formation de couches limites laminaires de liquide plus ou moins au repos. Mais les spécialistes savent bien que .ce type d'échangeur à plateaux n'est utilisable qu'avec de faibles pressions de fluide. Pour les fluides boueux, les échan-30 geurs de. chaleur à plateaux de type connu ne sont pas utilisables quand ce ne serait que parce que les boues exigent des pressions de circulation élevées. A cela s'ajoute que ces chambres à fluide qui se présentent comme des surfaces sont, du point de vue technique de l'écoulement, extrêmement mal adaptées 35 aux fluides boueux, du fait qu'il s'y produit très rapidement une accumulation de boue contre laquelle même la force du courant ne peut pratiquement plus rien. la présente invention vise à créer un échangeur de chaleur pour mélanges liquides-solides exigeant une pression de circu-^0 lation élevée, cet échangeur de chaleur devant en particulier 72 02040 2122577 pouvoir se nettoyer sans "beaucoup de travail et être en outre conçu du point de vue hydrodynamique de telle sorte que la force du courant de fluide suffise déjà à empêcher dans une large mesure le dépôt de "boues. 5 Ce résultat est obtenu selon l'invention par le fait que 1'échangeur de chaleur est construit, selon une méthode connue en soi, comme un échangeur à plateaux constitué par un paquet de plateaux que l'on peut écarter les uns des autres et qui, lorsqu'ils sont serrés, délimitent des chambres successives, 10 les unes de circulation de fluide chaud, les autres de circulation de fluide froid, les premières alternant avec les secondes, un vérin hydraulique est prévu pour serrer le paquet de plateaux, les plateaux ont une forme générale plane, et leurs faces principales sont munies de rainures, les rainures de deux 15 faces principales contiguës s'associant pour former une chambre de circulation de fluide en forme de serpentin, des passages étant d'autre part ménagés dans les plateaux pour relier entre eux d'une part les serpentins à fluide chaud et d'autre part les serpentins à fluide froid, et enfin les plateaux pren-20 nent appui les uns sur les autres non seulement par leurs bords mais aussi par les parties de leurs faces principales situées entre les rainures. L'invention conserve donc l'avantage des échangeurs à plateaux de type connu, à savoir, la possibilité de donner accès 25 aux chambres de circulation de fluide en écartant les plateaux les uns des autres, ce qui permet ensuite un nettoyage facile. Cependant l'invention s'est totalement écartée de l'idée de chambres à fluide se présentant par surfaces, idée sur laquelle reposent les échangeurs à plateaux de modèle connu ainsi que 30 ]_es filtre s-près se s, et a créé à la place un système de conduits construit à partir de plateaux et analogue à un système de faisceaux de tubes, ce qui lui confère, quant aux conditions techniques de l'écoulement, l'avantage de ces systèmes de faisceaux de tubes avec leur effet largement autonettoyant, et ce 35 qui permet avant tout d'obtenir un échangeur de chaleur admettant une forte pression de circulation du fluide et dont le paquet de plateaux peut être serré avec la forte pression nécessitée par cette pression de circulation. Si l'on utilise l'échangeur de chaleur selon l'invention par exemple dans un processus de purification comme celui que l'on a décrit au dé- 40 72 02040 2122577 "but, les travaux et les frais afférents au nettoyage se trouvent réduits à une fraction de ce qu'ils étaient jusque là, ce qui rend à ce procédé tout son intérêt. Selon ^'autres caractéristiques remarquables de l'invention, 5 les plateaux peuvent être mobiles sur des poutres porteuses disposées horizontalement entre deux montants verticaux et le vérin hydraulique peut être disposé entre l'un des montants et une des extrémités du paquet de plateaux. Cependant, selon un mode de réalisation préférentiel de 10 l'invention, il est prévu que les plateaux sont suspendus par l'intermédiaire de galets à une poutre porteuse horizontale supportée par deux montants verticaux et disposées entre ces deux montants, la poutre est prolongée au-delà de l'un des montants et, sur ce prolongement, est suspendu un plateau de traction que 15 l'on peut déplacer, le vérin hydraulique est monté entre le plateau de traction et le montant voisin, et le plateau de traction est relié, par l'intermédiaire de barres de traction disposées au long du paquet de plateaux, à un plateau de pression disposé du cSté du paquet de plateaux qui est opposé au plateau 20 de traction, ce plateau de pression étant lui aussi monté sur la poutre de façon à pouvoir être déplacé. Dans ce mode de construction, qui assure d'une part la pression de fermeture nécessaire pour le paquet de plateaux et d'autre part une grande facilité d'ouverture du paquet, on a fait en sorte, notamment, 25 que les forces exercées par le tféïiS. s'annulent mutuellement à l'intérieur de 1'échangeur de chaleur et ne se transmettent pas aux fondations, ce qui, compte tenu de l'importance des forces qui entrent en jeu dans l'ensemble de la prestation de 1'échangeur, contribue pour beaucoup à diminuer les frais. 30 Selon d'autres points remarquables de l'invention, le des sin des rainures des faces principales des plateaux forme un méandre ou une spirale. On peut prévoir alors que les rainures prévues sur les deux faces principales de chacun des plateaux soient approximativement disposées dans l'alignement les unes 35 des autres (c'est-à-dire soient symétriques par rapport au plan du plateau). Toutefois, dans une variante, les rainures prévues sur les deux faces principales de chacun des plateaux peuvent être disposées de façon qu'à une rainure d'une face corresponde un plein de l'autre face. Dans le premier cas, il peut être re-40 commandé que les rainures aient, en section transversale, la 72 02040 2122577 la forme d'un creux peu profond, à fond plat, ce qui permet d'obtenir d'importantes surfaces d'échange thermique. Dans le cas de rainures disposées sur une face à l'emplacement des pleins de l'autre face, il est prévu de préférence selon l'in-5 vention que les rainures aient une section transversale semi-circulaire, les conduits formés par l'assemblage des plateaux ayant ainsi la section circulaire, qui. est la plus intéressante du point de vue des problèmes d'écoulement.. Enfin, on peut encore prévoir selon l'invention que les *10 1 plateaux soient munis de joints d'étanGhéité non seulement sur leurs bords mais aussi au niveau des passages ménagés entre eux. Dans 1'échangeur de chaleur selon l'invention, l'étanchéité n'est cependant pas un problème critique, étant donné que par exemple dans le cas de l'opération de purification décrite plus haut, on peut, sans inconvénient,tolérer de légères fuites, d'autant plus que les défauts d'étanchéité sont rapidement calfeutrés par la boue m autres dépôts qui s'y forment. On va décrire dans ce qui suit l'invention de façon plus détaillée en se référant au dessin annexé, sur lequel : 20 - la figure 1 est une vue d'ensemble de 1*échangeur de chaleur selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique "explosée" (sur laquelle on a dissocié les éléments) d'un paquet de plateaux montrant les conduits de fluide froid et de fluide chaud en 25 forme de méandres ; - la figure 3 est une vue de face d'un plateau selon la figure 2 ; - la figure 4 est line vue en coupe, selon la ligne IV-IV de la figure 3, de plusieurs plateaux-filtres serrés en pa-- 30 quet ; - la figure 5 est une vue schématique explosée d'un paquet de plateaux à conduits en spirale ; - la figure 6 est une vue de face d'un plateau selon la figure 3, et 35 - la figure 7 est une vue en coupe selon la ligne VII-VII d'un paquet de plusieurs-plateaux juxtaposés. On voit sur la figure 1 deux montants verticaux 1 et 2 qui soutiennent une poutre horizontale 3 prolongée au-delà-du montant 1 et sur laquelle on a suspendu, entre les montants 40 "1 et 2, par l'intermédiaire de galets 4, un certain nombre de 72 02040 2122577 plateaux 5 que l'on peut déplacer. Du côté opposé aux plateaux 5? le montant 1 porte un vérin hydraulique 6, qui agit sur un plateau de traction 7 suspendu sur le prolongement de la poutre 3 de façon à être lui aussi mobile., Le plateau de traction 7 5 est relié, par l'intermédiaire de barres de traction 8, 9 disposées au long des plateaux 5? à un plateau de pression 10 disposé du côté du paquet de plateaux qui lui est opposé et lui-même mobile sur la poutre 3. Dans la position serrée qui est représentée au dessin, les plateaux sont appliqués par le vérin hy-10 draulique 6 contre le montant 1, par l'intermédiaire du plateau de traction 7» des barres de traction 8, 9 et du plateau de pression 10, les forces d'action et de réaction s'annulant mutuellement au niveau de ce montant 1. Le vérin 6 est avantageusement un vérin à double effet qui permet d'amener les plateaux 13 de traction et de pression 7S 10 dans la position ouverte représentée en pointillés, position dans laquelle les faces principales des plateaux 3 sont dégagées pour nettoyage. Les plateaux 5 forment, comme on va l'expliquer plus loin plus en détail, deux systèmes de canalisations dans lesquels on 20 fait circuler en sens inverse les deux fluides I et II entre i lesquels se fera l'échange thermique. Les plateaux sont ,avanta-geusement réalisés par moulage sous pression. Les figures 2, 3 et 4 illustrent une forme de réalisation du paquet de plateaux avec canalisations eh forme de méandres. 25 Les plateaux 11 à 16, qui ne peuvent être que des plateaux du milieu du paquet, sont munis' sur leurs deux faces principales de rainures approximativement alignées, formant des méandres qui vont d'un" coin de chaque plateau au coin diagonalement opposé, la figure 2 ne montrant que les rainures 18, 19 des faces visi-30 bles des plateaux. La rainure 19' (voir aussi figure 3) disposée sur l'autre face du plateau 11, forme un méandre symétrique, par rapport au plan des faces, de.la rainure adjacente 19 du plateau 12 et forme donc avec elle un conduit 20, ainsi.qu'on peut le voir sur la figure 4. Les rainures 18,-19, 19' ont en 35 section transversale la forme d'un creux plus large.que profond et à fond plat. Ainsi qu'on le voit notamment sur la figure 4, les plateaux , rainures mises à part, sont plans. Lorsqu'ils . sont serrés les uns contre les autres, ils sont en contact non seulement par leurs bords, mais aussi par les parties/^ s faces 40 principales situées entre les rainures, ce qui assure d'une 72 02040 n uzu^u 2122577 part la séparation entre les arcs de méandres superposés et d'au tre part donne au paquet de plateaux la stabilité intérieure suf fisante pour supporter la pression de serrage élevée qui est nécessaire. Comme on le voit notamment sur la figure 2, les pla-5 teaux 11 à 16 forment des chambres alternées de circulation de fluide froid et de fluide chaud, celles de même type étant reliées entre elles par des passages 22,23,24,25,26,27 ou 28,29,30 31,32,33. L'étanchéité des plateaux-est assurée sur leurs bords par des joints annulaires 34- à section circulaire. En outre, les 10 passages 22 à 33 sont rendus étanches sur la face de chaque plateau où le fluide froid traverse tin système de deux plateaux formant chambre de circulation de fluide chaud (et inversement), au moyen de joints annulaires d'étanchéité en 0,35» Dans le mode de réalisation illustré par les figures 5S 6 et 7, on a prévu, à la différence du mode de réalisation précédemment décrit, des rainures 36,37 ou 37' formant des spirales sur les deux faces principales des plateaux, les rainures de l'une des faces d'un plateau étant décalées de façon à correspondre à des pleins de l'autre face, ainsi qu'on le voit notamment 20 sur la figure 7« Dans la succession de chambres à circulation de fluide chaud (il en est de même pour les chambres de circulation de fluide froid), le fluide parcourt les spirales alternativement de l'extérieur vers l'intérieur, et dans la cavité suivante, de l'intérieur vers l'extérieur, si bien que les passages 25 39,40,41,42,43,44 ou 45,46,47,48, 49,50 doivent être prévus deux par deux alternativement vers le bord et vers le centre des plateaux. La figure 6 est une vue de -face du plateau de gauche 38 de la figure 5» plateau qui porte également la référence 38 -fla-na le paquet de plateaux de la figure 7. Dans ce mode de réa-30 lisation, on a prévu pour les rainures me section transversale semi-circulaire, de sorte que l'on obtient, dans le paquet de plateaux, des conduits de section transversale circulaire. L'invention ne se limite pas aux exemples de réalisation représentés au dessin. Selon le domaine d'utilisation prévu, l'é-35 changeur de chaleur peut être parcouru par deux courants de sens opposé ou par deux courants de même sens. De même, le dessin des rainures laisse place à de nombreuses variantes. Dans le mode de réalisation de la figure 2 par exemple, on peut réaliser un échangeur à courants croisés en orientant dans le sens vertical, 40 et non rlan.g; le sens horizontal, les méandres de circulation de l'un des deux fluides. 72 02040 2122577 !=|=y=f_U=i=5=-è_?=ï_0JL§ 1°) Echangeur de chaleur pour mélanges liquides-solides, notamment pour fluides "boueux exigeant une pression de circulation élevée, allant par exemple jusqu'à 20 atm. effect., carac-5 térisé par le fait qu'il est construit, selon une méthode connue en soi, comme un échangeur à plateaux constitué par tin paquet de plateaux que l'on peut écarter les uns des autres et qui, lorsqu'ils sont serrés, délimitent des chambres successives, les unes de circulation de fluide chaud, les autres de circulation de fluide froid, les premières alternant avec les secondes, un vérin hydraulique est prévu pour serrer le paquet de plateaux, les plateaux ont une forme générale plane, et leurs faces principales sont munies de rainures, les rainures de deux faces principales contiguës s'associant pour former une chambre de circulation de fluide en forme de serpentin, des passages étant d'autre part ménagés dans les plateaux pour relier entre eux d'une part les serpentins à fluide chaud et d'autre part les serpentins à fluide froid, et enfin les plateaux prennent appui les uns sur les autres non seulement par leurs "bords mais aussi par les parties de leurs faces principales situées entre les rainures. 2°) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel les plateaux sont mobiles sur des poutres porteuses disposées horizontalement entre deux montants verticaux et le 25 vérin hydraulique est disposé entre l'un des montants et une des extrémités du paquet de plateaux. 3°) Echangeur de chaleur selon la revendication 1, dans lequel les plateaux sont suspendus par l'intermédiaire de galets à une poutre porteuse horizontale supportée par deux mon-30 tants verticaux et disposés entre ces deux montants, la poutre est prolongée au-delà de l'un des montants et, sur ce prolongement, est suspendu un plateau de traction que l'on peut déplacer, le vérin hydraulique est monté entre le plateau de traction et le montant voisin, et le plateau de traction est relié, 55 par l'intermédiaire de "barres de traction disposées au long du paquet de plateaux, à un plateau de pression disposé du côté du paquet de plateaux qui est opposé au plateau de traction, ce plateau de pression étant lui aussi monté sur la "poutre de façon à pouvoir être déplacé. 72 02040 -9- 2122577 4°) Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le dessin des rainures des faces principales des plateaux forme un méandre ou une spirale. 5°) Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 5 1 à 4, dans lequel les rainures prévues sur les deux faces principales de chacun des plateaux sont approximativement disposées dans l'alignement les unes des autres. 6°) Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les rainures prévues sur les deux faces prin-10 cipales de chacun des plateaux sont disposées de façon qu'à une rainure d'une face corresponde un plein de l'autre face. 7°) Echangeur de chaleur selon la revendication 5 5 dans lequel les rainures ont en section transversale, la forme d'un creux peu profond, à fond plat. 13 8°) Echangeur de chaleur selon la revendication 6, dans le quel les rainures ont une section transversale semi-circulaire. 9°) Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les plateaux sont munis de joints d'étanchéité non seulement sur leurs bords mais aussi au niveau des passa-20 ges ménagés entre eux.