Brevet FR2152391A1 — publié le 19730427

La présente invention concerne un nouvel échangeur de chaleur pour la vaporisation de gaz liquéfiés contenus dans des cuves ou citernes et se trouvant dans ces récipients à des tem- pératures très basses, par exemple -45 pour le propane et 1930 pour l'azote. Notamment lorsqu'il y a lieu de vider les cuves ou citernes contenant ces gaz liquéfiés, on doit prendre soin qu'une dépression ne puisse pas exister au-dessus du niveau du gaz liquéfié car il en résulterait une destruction desdites cuves ou citernes en provoquant des accidents graves et, en outre, il y a lieu d'éliminer le risque de désamorçage des pompes lorsque celles-ci ne sont pas en charge par rapport aux citernes, comme cela est souvent le cas pour des navires dont les pompes sont au niveau du pont. L'invention rend possible de maintenir toujours une pression convenable dans lesdites cuves ou citernes quel que soit leur taux de remplissage, en maintenant au-dessus du niveau de gaz liquide une pression de vapeur faisant que tout risque de destruction de la cuve est éliminé et que les pompes sont toujours maintenues sous pression. Pour cela, l'invention crée un nouvel échangeur de chaleur rendant possible de vaporiser une partie du gaz liquéfié contenu dans la cuve ou citerne et cela sans que cette vaporisation puisse produire, dans l'échangeur, un givrage nuisant tant au bon fonctionnement de l'installation qu'à la tenue de l'échangeur même. Conformément à l'invention, l'échangeur pour la vaporisation de gaz liquéfiés comporte une enveloppe fermée par deux collecteurs dans lesquels débouchent des jeux de tubes disposés sensiblement en couronne pour la circulation du gaz liquéfié à vaporiser, chaque Jeu de tubes en couronne entourant au moins un conduit de circulation de vapeur supporté par une plaque collectrice montée à proximité de la partie supérieure de l'enveloppe, lesdits tubes de circulation de vapeur débouchant au voisinage de la face supérieure du collecteur inférieur fermant l'enveloppe, au moins un conduit d'amenée de vapeur étant prévu à la partie supérieure de l'enveloppe et au moins un conduit d'évacuation de vapeur et de condensat éventuel communiquant avec la partie la plus basse de ladite enveloppe dont les collecteurs d1extré- mité débouchent dans des capacités inférieure et supérieure assurant respectivement l'amenée du gaz liquéfié et la distribution du gaz après sa vaporisation. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig. 1 est un schéma d'une installation faisant application de l'échangeur de vaporisation de l'invention. La fig. 2 est une demi-coupe-élévation de l'échangeur selon l'invention. La fig. 3 est une coupe vue suivant la ligne III-III de la fig. 2. La fig. I montre une installation faisant application de l'invention suivant laquelle 1 désigne une citerne contenant un gaz liquéfié s'étendant jusqu'à un niveau figuré en 2. Pour vider la citerne 1 du gaz liquéfié, l'installation comporte une pompe 3. La citerne 1 étant réalisée nécessairement de façon étanche, il y a lieu, au fur et à mesure de l'extraction du gaz liquéfié, d'établir une pression de compensation au-dessus du niveau 2 et, à cette fin, une canalisation 4 est prévue pour puiser du gaz liquéfié au voisinage du fond de la citerne 1.La canalisation 4 mène à la partie inférieure d'un échangeur de vaporisation, désigné dans son ensemble par 5, dans lequel le gaz liquéfié, qui est amené à sa partie inférieure, est réchauffé de façon qu'il soit vaporisé et éventuellement surchauffé, puis ramené, par une seconde canalisation 6, à la partie supérieure de la citerne 1. De cette façon, l'intérieur de la citerne est constamment maintenu sous une pression appropriée compte tenu de la nature du gaz liquéfié qu'elle contient et aucune dépression accidentelle risquant de l'endommager ne peut prendre naissance. Dans certains cas, la canalisation peut être branchée, comme montré en 4a en traits mixtes, pour relier par une dérivation le refoulement de la pompe 3 à l'entrée de l'échangeur 5, ce qui assure une alimentation convenable de cet échangeur quelle que soit sa position par rapport à la citerne. Pour vaporiser le gaz liquéfié à l'intérieur de l'échangeur 5, l'installation de la fig. I comporte un générateur de chaleur 7, de préférence un générateur de vapeur conduite, par une cana lisation 8, à la partie supérieure de l'échangeur 5, puis ré cupérée ensuite, ainsi que les condensats éventuels, par une seconde canalisation 9 faisant retour au générateur de vapeur 7. Suivant l'invention, on règle le débit de la vapeur amenée à l'échangeur 5 en relation avec la quantité de gaz liquéfié qui est également amené à la partie inférieure dudit échangeur 5, de façon qu'en régime normal de fonctionnement, on utilise la chaleur sensible de la vapeur lorsqu'elle est surchauffée ; la chaleur latente de vaporisation est également et principalement utilisée. Ainsi, on dispose d'une sécurité du fait de la chaleur que conservent les condensats produits qu'on ne cherche pas refroidir en fonctionnement normal. En se référant aux fig. i et 3, on constate que l'échangeur comporte une enveloppe 10 reliée à ses deux extrémités à des plaques collectrices 11 et 12 dans lesquelles sont fixées, par dudgeonnage ou un autre moyen, les extrémités de jeux de tubes 13 qui sont respectivement disposés en couronne ainsi que le montre bien la fig. 3. La partie haute du volume délimité par l'enveloppe 10 communique avec un tube de purge de vapeur 14 et la partie basse de cette enveloppe communique avec au moins deux embases tubulaires 15, 16 diamétralement opposées, ces deux embases tubulaires étant reliées à la canalisation de retour 9 menant vers le générateur de vapeur. L'échangeur 5 est destiné à être monté en position verticale et, du fait de la présence des deux embases tubulaires 15, 16, on est assuré que toute l'eau de condensation qui peut être produite dans ladite enveloppe est bien évacuée par la canalisation de retour 9 même si l'échanweur est quelque peu incliné corme cela peut se produire lorsqu'il est monté dans un navire. Le collecteur inférieur Il est fermé par une calotte 17 qui est reliée par une embase tubulaire 18 à la canalisation d'amenée 4 de gaz liquéfié. La calotte 17 comporte, en outre, à sa partie la plus basse, une tubulure de vidange 19 qui est normalement fermée. De façon analogue, le collecteur supérieur 1a est recouvert par un couvercle O communiquant, par son sommet, avec une tubulure 21 qui est raccordée à la canalisation 6 débouchant dans la citerne 1 au-dessus du niveau 2 de gaz liquéfié. La canalisation d'amenée de vapeur 8 est raccordée à la partie supérieure de l'enveloppe 10 ainsi que cela apparaît à la partie droite en haut de la fig. 2. L'espace annulaire délimité à l'intérieur de chaque jeu de tubes 13 est occupé en partie par un tube 22 dont l'embouchure supérieure 22a est disposée dans une plaque collectrice 23 montée à l'intérieur de l'enveloppe 10 juste en dessous du niveau duquel débouche la canalisation 8 d'amenée de vapeur. Les tubes 22 s'étendent jusqu'à la partie basse de l'enveloppe et leur embouchure inférieure c2b est placée à quelque distance du collecteur inférieur 11. On voit ainsi que chaque tube 13 est à proximité des tubes 22 qui entourent aussi leurs embouchures 22a 22b. Les tubes 22 présentent de place en place des lumières 24 faisant que ces tubes communiquent avec le volume délimité par l'enveloppe 10, volume à l'intérieur duquel sont disposées des chicanes 25 obligeant la vapeur, se trouvant à l'intérieur de l'enveloppe, et ne circulant pas dans les tubes 22, à suivre un trajet perturbé préétabli, étant donné que les chicanes 25 laissent libres avec la paroi interne de 11 enveloppe 10 seulement des passages étroits et sur une partie seulement de leur périphérie. Comme cela ressort de ce qui précède, lorsque l'échangeur est en fonctionnement, le gaz liquéfié remplit la calotte inférieure 17 et monte dans les tubes 13 disposés en couronne. Cette circulation s'effectue spontanément lorsque l'échangeur est disposé à un niveau inférieur à la cuve 1, comme montré à la fig.1, ou bien cette circulation peut être assurée au moyen de pompes prévues sur la canalisation 4 comme illustré en 4a. Au contraire, la vapeur amenée par la canalisation 8 pénètre dans l'enveloppe 5 de l'échangeur à la partie haute de celui-ci, et cette vapeur est dirigée par la plaque collectrice 23 dans les tubes 22 dans lesquels elle circule dans le sens des flèches f1, c'est-à-dire à contre-courant par rapport au sens de circulation du gnz liquéfié, et la vapeur la plus chaude est en contact avec la partie la plus froide du liquide. Les lumières 24 ont pour effet de distribuer la vapeur à l'intérieur de l'enveloppe 10 de sorte que cette vapeur lèche directement la paroi des tubes 13, ce qui a pour effet de ré chauffer le gaz à la partie haute des tubes 13 et de provoquer le changement d'état du gaz liquéfié dans la partie basse desdits tubes 13. les chicanes 25 créent des perturbations qui améliorent l'échange thermique entre la vapeur circulant dans l'enveloppe et les tubes 13, tubes qui présentent une grande surface périphérique étant donné leur petit diamètre comparativement à celui des tubes 22 comme cela apparat à la fig. 3. On voit par ce qui précède que la vapeur qui circule à l'intérieur meme de l'enveloppe 10 est plus refroidie que celle qui circule à l'intérieur des tubes 22. De cette façon, s'il se produit un givrage autour de certains des tubes 13, alors ce givrage crée une perte de charge qui ralentit la circulation de la vapeur à l'intérieur de ltenveloppe, mais, par contre, la circulation de la vapeur à l'intérieur des tubes 22 est alors accélérée, ce qui fait fondre le givre. Par ailleurs, du fait de la présence des lumières 24, de la vapeur chaude provenant desdits tubes 22 est répartie à différents niveaux de l'échangeur en réchauffant la vapeur circulant dans l'enveloppe même et à l'extérieur desdits tubes 22, ce qui élimine en grande partie les risques de givrage considérés ci-dessus. Afin que les tubes 13 puissent se dilater librement au cours des variations de température considérables qu'ils peuvent subir et qu'il n'en résulte pas d'efforts tendant à les faire flamber ou à rompre leur liaison avec les collecteurs 11, 12, l'enveloppe 10 est avantageusement séparée, comme le montre le dessin, en deux ou plusieurs tronçons 10 et 10a reliés entre eux par un joint de dilatation 26, par exemple un soufflet ou un simple bourrelet comme représenté. Egalement pour permettre la libre dilatation des tubes 13 et de l'enveloppe, il est avantageux que seule la plaque collectrice 23 supportant les tubes de circulation de vapeur 2c soit fixée à l'enveloppe, tandis que les chicanes 25 sont suspendues à ladite plaque collectrice 23 par des tirants 27, ce qui fait que lesdites chicanes peuvent étire déplacées tant par rapport à l'enveloppe 10 que par rapport aux tubes 13 et aux tubes 22. L'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté et décrit en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. BEVENDICBTIONS 1 - Echangeur pour la vaporisation de gaz liquéfié et installation de stockage de ce produit en faisant application, caractérisée en ce que l'échangeur comporte une enveloppe fermée par deux collecteurs dans lesquels débouchent des jeux de tubes disposés sensiblement en couronne pour la circulation du gaz liquéfié à vaporiser, chaque jeu de tubes en couronne entourant au moins un conduit de circulation de vapeur supporté par une plaque collectrice montée à proximité de la partie supérieure de l'enveloppe, lesdits tubes de circulation de vapeur débouchant au voisinage de la face supérieure du collecteur inférieur fermant l'en- veloppe, au moins un conduit d'amenée de vapeur étant prévu à la partie supérieure de l'enveloppe et au moins un conduit d'évacuation de vapeur et de condensats éventuels communiquant avec la partie la plus basse de ladite enveloppe dont les collecteurs d'extrémité débouchent dans des capacités inférieure et supérieure assurant respectivement l'amenée du gaz liquéfié et la distribution du gaz après sa vaporisation. 2 - Echangeur, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes de circulation de vapeur présentent des lumières les faisant communiquer avec l'espace délimité par l'enveloppe et leurs parois externes, ainsi que celles des tubes en couronnes dans lesquels circule le gaz à vaporiser. 3 - Echangeur, suivant l'une des revendicstions 1 et 2, caractérisé en ce que l'enveloppe comporte, à sa partie la plus basse, deux conduits d'évacuation de vapeur et des condensats, lesdits conduits étant diamétralement opposés. 4 - Echangeur, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe contient des chicanes centrées dans l'enveloppe et traversées par les tubes maintenus par celles ci. 5 - Echangeur, suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe est constituée en au moins deux tronçons réunis par des joints de dilatation. 6 - Echangeur, suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les chicanes sont suspendues à la plaque collectrice disposée à la partie haute de l'enveloppe et supportant les tubes de circulation de vapeur. 7 - Echangeur, suivant l'une des revendications 1 à 6, ca ractérisé en ce que des tubulures de purge sont prévues à partie haute de l'enveloppe et à la partie basse de la capacité d'amenée du gaz liquéfié à vaporiser. 8 - L'échangeur suivant l'une des revendications I à 7 à une installation de stockage de gaz liquéfiés comportant une citerne associée à des pompes de vidage, ladite citerne étant reliée, par sa partie basse, à la capacité inférieure de l'é- changeur et, par sa partie haute, à la capacité dudit échangeur dont le tube d'amenée de vapeur eqt relié à un générateur de vapeur, tandis que les tubes d'évacuation'de vapeur et des condensats éventuels sont reliés à l'entrée de ce générateur de vapeur.