Brevet FR2128289A1 — publié le 19721020

1.- .2128289 lia présente invention concerne un condenseur à vaporisation du type constitué par une pile de plaques de tôle, essentiellement de même forme, rectangulaire, rainurées ou ondulées, deux paires de plaques voisines étant respective-5 ment reliées suivant deux côtés opposés et les paires de plaques prévues entre la précédente paire étant reliées suivant deux autres côtés opposés, de façon étanche aux gaz et forment ainsi les chemins d'écoulement pour le fluide venant sur la paroi de séparation pour un échange thermique, les côtés arrières, opposés 10 des profilés de deux plaques de tôle voisines s'appuyant l'un contre l'autre en un grand nombre de points de contact* De tels montages existent déjà sur laa échangeurs de chaleur. Ces montages présentent l'avantage d'avoir line surface de chauffage spécifique importante pour un. faible en» 15 combrement et"de nécessiter peu de matériaux tout en présentant une fabrication relativement simple. La présente invention a pour but de créer un condensateur à vaporisation présentant des conditions particulièrement avantageuses sur ces surfaces d'échange thermi-20 que pour le fluide à condenser et permettant d'augmenter encore plus les avantages déjà existants. À cet effet, la présente invention concerne un condenseur à plaques du type indiqué ci-dessus, caractérisé en ce que les profils opposés, voisins de deux plaques 25 de tôle qui entourent le chemin d'écoulement du fluide à condenser, présentent des flancs profilés essentiellement dirigés vers les points d'écoulement de condensât, présentant des inclinaisons différentes, et au moins un flanc profilé allant pratiquement jusqu'aux points de contact, arrivant au moins jusqu'à la 30 ligne de chute et ayant la fonction d'une rigole,d'écoulement» Grâce à ce montage, on a l'avantage que chacune des particules de condensât qui se forment arrive, suivant le chemin le plus court, vers un filet d'écoulement de condensât qui absorbe cette particule et l'évacué suivant le che-35 min le plus court et le plus rapide de la surface supérieure de l'é changeur de chaleur où se forme le condensât. On réduit ainsi à un minimum la formation d'un film de condensât qui gêne la transmission calorifique, et cette réduction concerne notamment, l'épaisseur du film, 40 On obtient ainsi une transmission calorifique optimale de la 71 46867 2.- 2128289 surface d'échange thermique vers le fluide qui se condense et la surface qui reste dégagée de condensât qu.i s'écoule, est maximale. En outre, lets profils inclinés suivant un angle faible, par rapport aux directions d'écoulement principales du fluide, per-5 mettent un écoulement qui. est à peine gêné, de sorte que la perte de pression entre l'entrée de la pile de plaques et la sortie est réduite à un minimum. Au niveau des profils, on obtient, grâce à l'angle transversal important par rapport à la direction d'écoulement principale, un mélange efficace du fluide et, 10 ainsi, une activation du transfert calorifique. Suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux, sur chaque plaque de tôle les divers profils sont prévus suivant des bandes alternées. On obtient ainsi, de façon avantageuse, une action équilibrée entre les plaques. 15 Suivant une autre caractéristique de l'invention, les divers profilés présentent la même section transversale, essentiellement en forme de dents de scie et dont le flanc inférieur est au moins partiellement voisin de l'horizontale. Du fait de cette forme de plaques, une fraction optimale 20 des surfaces de chauffage est recouverte d'un minirmirn de liquide. Il est possible d'évacuer très rapidement le condensât vers les points où celui-ci est recueilli. Suivant une autre caractéristique de l'invention, on peut prévoir, entre les bandes profilées, des ban-25 des plus étroites essentiellement non profilées. Suivant une autre caractéristique de l'invention, dans un condenseur à vaporisation dans lequel le fluide à vaporiser suit des chemins d'écoulement essentiellement verticaux et le fluide à condenser suit des chemins essenstiel-30 lement horizontaux, il est particulièrement avantageux que les bandes soient parallèles à la direction d'écoulement du fluide qui se vaporise. Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les piles de plaques sont 35 réparties sous la forme d'un anneau circulaire dans lequel les plaques sont montées de façon au moins pratiquement radiale dans des plans sensiblement perpendiculaires à l'axe de l'anneau circulaire, et forment des chemins d'écoulement sensiblement parallèles à l'axe dans lesquels le fluide se vaporise, et la pile an-40 nulaire plonge au moins partiellement dans la phase liquide de ce 71 46867 3.- 2128289 fluide, un fluide à condenser arrivant de l'extérieur dans des chemins d'écoulement sensiblement radiaux, et se rétrécissant vers l'axe, le point d'écoulement du condensât étant prévu le long de la périphérie intérieure de la pile annulaire. 5 Suivant une autre caractéristique a- vantageuse de l'invention, la pile de plaques de forme annulaire et circulaire est logée dans une cuvette en forme de pot, elle-même prévue dans un récipient cylindrique subdivisé en une partie supérieure et une partie inférieure, le fluide se trouvant dans 10 la partie supérieure étant recueilli en phase liquide dans la cuvette et le fluide se trouvant dans la partie inférieure traversant des orifices prévus dans les surfaces latérales de la cuvette pour pénétrer sous forme gazeuse dans la pile de plaques, et après liquéfaction dans cette pile de plaques, ce fluide se 15 recueille dans un caisson collecteur et est évacué de celui-ci à l'état liquide. La présente invention est décrite plus en détails à l'aide de divers modes de réalisation représentés schématiquement à titre d'exemples dans les dessins annexés, 20 dans lesquels : - la figure 1 est une coupe partielle de deux tables de deux plaques de tôle formant une paire de plaques, - la figure 2 est une coupe partielle 25 d'une pile de plaques selon la figure 1, ou coupées selon la ligne II-II. - la figure 3 est une coupe longitudinale d'un récipient muni d'une pile de plaques annulaires, circulaires, selon les figures 1 et 2. 30 - la figure 4 est une coupe transver sale correspondant à la figure 3. La figure 1 représente une coupe partielle de deux tables de tôles 31 » 32, qui forment une paire de plaques définissant entré elles un chemin d'écoulement pour le 35 fluide à condenser et dont la direction d'écoulement principale est indiquée par les flèches 33, 34. La plaque de tôle 32 est représentée comme si elle était transparente, si bien que la plaque 31 apparaît en vue de face. La plaque 31 présente un profil en dents de scie qui est incliné vers le bas, d'un angle relati-40 vement faible, en direction de 1'écoulement, c'est-à-dire la 71 46867 4.- 2128289 direction des flèches 33, 34» la plaque 32 présente, également, un profil en forme de dents de scie, de préférence analogue au précédent, mais incliné de façon relativement forte vers le bas, dans le sens de l'écoulement selon les flèches 33, 34» 5 La surface supérieure des deux plaques de tôle 31 et 32 est subdivisée en éléments de paroi 35» 35a etc.. 36, 36a, etc... et en éléments en gradins, 37, 37a etc.., 38, 38a etc...Le recoupement de la partie en gradins 37» 38 et de la partie en forme de paroi, située en dessous 35a, 36a donne un 10 profil en arête 39» 40. Les deux arêtes 39» 40 se touchent en un point 41 et s'appuient l'une contre l'autre. Les arêtes de profil suivant 39a et 40a se touchent en un point de contact 42. Ainsi, les arêtes de profil des deux plaques d'une paire de plaques. présentent un grand nombre de points de contact, répartis 15 en réseaux sur leur surface. On a, également, représenté une autre paire de plaques formées par les plaques de tôle 43 et 44 qui définit, également, un chemin d'écoulement pour le fluide qui se condense, selon la flèche 45» tout en formant un chemin d'écoulement pour le fluide à vaporiser selon la flèche 46, entre 20 les plaques de tôle 31 et 43. Dans la suivante coupe partielle, selon la figure 2, on a utilisé les mêmes références que dans la figure 1f pour les mêmes organes. Le condensât se forme, comme indiqué 25 ci-après : chaque particule A de condensât se formant sur les parties en forme de parois, par exemple 35a, se réunit à d'autres particules de condensât en descendant suivant la ligne de chute 47 de la partie en forme de paroi 35a et cela, jusqu'à ce qu'elle arrive sur la partie en foime de gradins 37a. Sur cette 30 partie en gradins 37a d'autres particules se regroupent, qui descendent le long de la paroi 35a suivant la ligne de chute 47. Ces parties forment un filet de liquide 48 qui va en augmentant et qui s'écoule sur la partie en gradins 37a agissant comme gou-lotte d'écoulement. 35 Chaque particule de condensât B qui se forme sur la partie de paroi, par exemple 36a de la plaque de tôle 32, s'écoule suivant la ligne de chute 49 le long de cette partie de paroi 36a, tout en entraînant d'autres particules de condensât jusqu'à arriver sur la partie en gradins 38a. A cet 40 endroit, cette particule de condensât se réunit à d'autres parti 71 46867 5.- 2128289 cules Br arrivant suivant la même ligne de chute 49 de la partie en paroi sur la partie en gradins. Il se forme ainsi un filet de liquide 50 qui s'écoule. Au point de contact 42, non seulement 5 les deux arêtes de profil 39a et 40a des deux parties en gradins 37a et 38a se touchent, mais, également, les filets d'écoulement 48 et 50, si bien que, par suite des forces moléculaires, il se produit une réunion des particules de liquide. Gomme, toutefois, l'énergie d1 écoulement du filet 50 est plus grande que celle du 10 filet 48, du fait de la vitesse plus élevée produite par l'inclinaison plus grande, il se produit un entraînement préférentiel et un passage du filet 48 dans le filet 50 et, par suite, un passage sur le côté de la plaque de tôle 32. Il en résulte qu'une quantité de liquide présentant un point de contact, s'écoule, 15 soit le long de la ligne de chute 51 la plus raide sur la partie de paroi 36b sous forme de filet très rapide, soit se divise sous l'effet des diverses forces en présence, si bien qu'une partie s'écoule le long de la ligne de chute 51, alors qu'une autre partie reste sur la partie de gradin 38a et s'écoule le long de 20 ce gradin. Dans chaque cas, un film de condensât qui se forme sur les surfaces supérieures, se divise très vite en des filets s'écoulant rapidement et ainsi les quantités de condensât sont évacuées rapidement et suivant des parcours ré-25 duits. Ainsi le condensât déjà formé est évacué des surfaces supérieures de l'échangeur de chaleur qui en forment la plus grande. partie et sont maintenues pratiquement dégagées. On peut ainsi intensifier considérablement le transfert thermique. Lorsque des filets d'écoulement très rapides et très intenses comme par 30 exemple au point de contact 52, se rencontrent, une partie du liquide peut être pulvérisée dans l'intervalle compris entre les plaques, comme indiqué par les flèches 53, 54. Cela présente l'avantage que la partie pulvérisée du condensât descend très rapidement du fait de la chute libre et n'augmente pas 1'épais-35 seur du film de condensât qui gêne le transfert thermique. La coupe longitudinale de la figure 3, à travers un récipient montre des piles de plaques de forme annulaire, formées à l'aide de tables de tôle, selon les figures 1 et 2, cette pile se trouvant dans une auge collectrice en for-40 me de pot. 71 46867 6.- 2128289 Selon les figures 3 et 4, le condenseur à vaporisation est logé dans un récipient cylindrique 1 qui est divisé par une cuvette 2 en une partie supérieure et une partie inférieure 4* La partie inférieure 4 peut servir de colonne 5 de pression et la partie supérieure 3 de colonne de basse pression, ou encore de colonne supérieure d'une installation de séparation d'air ou de gaz. Dans la cuvette 2 qui sert en même temps de fond de séparation du récipient, on a prévu une pile de plaques 5 de foime annulaire. Chaque fois deux plaques voisines 6, 10 7 sont reliées de façon étanche aux gaz suivant deux côtés opposés 8, 9 et les plaques voisines 6, 10 prévues entre les dites plaques sont reliées également de façon étanche aux gaz, suivant deux autres côtés opposés 12, 13» Un fluide que l'on veut liquéfier se 15 trouve sous forme gazeuse dans la partie supérieure de la partie inférieure 4 qui constitue, par exemple, la colonne de pression d'une installation de fractionnement d'air. Dans ce cas, il s'agit d'azote. Celui-ci peut passer par les orifices 14 en forme de fentes pour arriver entre les plaques 6 et 10 et son che— 20 min d'écoulement 15 va en se rétrécissant en forme de coin dans la direction radiale. Les diverses sections d'écoulement qui vont en diminuant le long du chemin d'écoulement, sont déterminées en fonction de la réduction du volume gazeux au fur et à mesure de sa liquéfaction, si bien que l'ensemble présente une 25 perte de charge minimale. La fraction liquide arrive par les o-rifices 16 dans un boîtier collecteur 17» de forme annulaire, et de là, cette fraction passe par une conduite 18 polir revenir dans la partie inférieure 4 du récipient. L'autre fraction du fluide se présen-30 te sous forme de phase liquide dans la cuvette 2 et les intervalles entre les plaques 6 et 7 se remplissent de liquide à ébul-lition. Le chemin d'écoulement général monte verticalement d'une fente d'entrée 19 vers une fente de sortie 20. Dans le cas d'une installation de fractionnement d'air, le liquide qui vapo-35 rise est l'oxygène dans la colonne basse pression qui se trouve dans la partie supérieure 3 du récipient. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de 40 l'invention. 71 46867 7.- 2128289 REVENDICATIONS 1.- Condenseur à vaporisation du type constitué par une pile de plaques de tôle essentiellement de même forme, rectangulaires, rainurées ou ondulées, deux paires 5 de plaques voisines étant respectivement reliées suivant deux côtés opposés et les paires de plaques prévues entre la précédente paire étant reliées suivant deux autres côtés opposés, de façon étanche aux gaz pour former ainsi les chemins d'écoulement pour le fluide venant sur la paroi de séparation pour un échange 10 thermique, les côtés arrières, opposés des profilés de deux plaques de tôle voisines s'appuyant l'un contre l'autre en un grand nombre de points de contact, condenseur caractérisé en ce que les profils opposés, voisins de deux plaques de tôle qui entourent le chemin d'écoulement du fluide à condenser, présentent 15 des flancs profilés essentiellement dirigés vers les points d'écoulement de condensât, présentant des inclinaisons différentes, au moins"un flanc profilé allant pratiquement jusqu'aux points de contact, arrivant au moins jusqu'à la ligne de chute et jouant le rôle d'une rigole d'écoulement. 20 2.- Condenseur selon la revendica tion 1, caractérisé en ce que sur chaque plaque de tôle, les divers profilés sont prévus sous forme de bandes alternées. 3.- Condenseur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les divers pro- 25 filés présentent des sections identiques essentiellement en forme de dents de scie et dont le flanc inférieur est au moins en partie voisin de l'horizontale. 4.- Condenseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, entre les ban- 30 des profilées, on a prévu des bandes essentiellement non profilées. 5.- Condenseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le fluide à vaporiser est guidé suivant des chemins d'écoulement dans une direction essen- 35 tiellement verticale et le fluide qui se condense s'écoule suivant des chemins de direction essentiellement horizontale, dispositif caractérisé en ce que la répartition en bandes est parallèle à la direction d'écoulement du fluide qui vaporise. 6.- Condenseur selon la revendication 40 5, caractérisé en ce que la pile de plaques présente la foime 8 *•» 71 46867 2128289 d'un anneau circulaire dans lequel les plaques sont montées de façon au moins pratiquement, radiale dans les plans sensiblement perpendiculaires à l'axe de l'anneau circulaire, et forment des chemins d'écoulement sensiblement parallèles à l'axe dans les-5 quels le fluide se vaporise, et la pile annulaire plonge au moins partiellement dans la phase liquide de ce fluide, un fluide à condenser arrivant de l'extérieur dans des chemins d'écoulement sensiblement radiaux, et se rétrécissant vers l'axe, le point d'écoulement du condensât étant prévu le long de la périphérie 10 intérieure de la pile annulaire. 7.- Condenseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pile de plaques de forme annulaire et circulaire est logée dans une cuvette en forme de pot, elle-même prévue dans un récipient cylindrique subdivisé en une partie 15 supérieure et une partie inférieure, le fluide se trouvant dans la partie supérieure étant recueilli en phase liquide dans la cuvette et le fluide se trouvant dans la partie inférieure traversant des orifices prévus dans les surfaces latérales de la cuvette pour pénétrer sous forme gazeuse dans la pile de plaques 20 et après liquéfaction dans cette pile de plaques, ce fluide se recueille dans un caisson collecteur et est évacué de celui-ci à l'état liquide.