Brevet FR2148371A1 — publié le 19730323

La présente invention concerne les échangeurs de chaleur à plaques, et plus particulièrement ceux qui sont destinée à des installations cryogéniques. n est de pratique courante dans les installations cryogéniques destinées à la séparation de l'air en ses principaux constituants (par exemple en en oxygène, en azote, on argon) ou en tout mélange nécessaire de ces gaz, d'utiliser un ou plusieurs échangeurs à plaques pour refroidir un courant d'air d'alimentation pénétrant dans l'installation à peu près à son point de rosée, par échange thermique avec les gaz séparés provenant d'une colonne de séparation de l'installation.Un échangeur à plaques utilisé pour cette opération et auquel on se réfère dans le présent mémoire, comporte plusieurs éléments d'échange de chaleur formés par des plaques disposées face à face à une certaine distance et dliaitant des passages entre elles pour les fluides d'échange, ces passages comprenant au moins deux jeux destinés à la circu- lation de deux fluides, les plaques séparant les passages des deux jeux au moins en permettant un transfert direct entre les fluides par l'intermédiaire des plaques. Les plaques sont associées dans leurs positions relatives dans l'échangeur, qui peut aussi comprendre des éléments secondaires d'change placés dans les passages compris entre les plaques. n est aussi de pratique courante d'utiliser des échangeurs à plaques pour retirer l'eau et le gaz carbonique d'un courant d'air d'alimentation. On constate que, lorsque oe courant d'air subit un refroidisement en passent dans un jeu de passages d'un échangeur à plaques, l'eau qu'il contient se condense et se dépose sur le. faces des Passages, d'abord sous forte liquide et, lorsque la température diii-e encore, sous forme solide appelée "naige". Lorsque la température desoend encore, le gaz carbonique se condense aussi et se dépose sur les faces des passages sous forme solide, c'est à dire de neige carbonique.Ces dépôts continuent à croître tant qu'on utilies le même jeu de passages pour faire circuler le courant d'air d'alimentation, et ils bloquent éventuellement ces passages d'une quantité suffisante pour perturber le fonctionement de l'appareil. Pour empêcher cet inconvénient, après une période convenable, on inverse les deux courants. En conséquence, si le courant d'air passe dans un premier Jeu de passages à un moment donné et le courant de gaz séparés dans un second jeu, après une période prédéterminée, on fait passer le courant d'air dans le second jeu et les gaz séparés dans le premier jeu. Après une autre période, on inverse à nouveau les deux courants d'un jeu de passages à l'autre.Les inventions successives ont donc lieu de cette manière après des périodes successives. A chaque inversion des deux courants, on introduit le courant de gaz séparés dans des passages partiellement beuchés et il évapore progressivement les dépôts et les chasse , si bien que les passages sont propres lors de l'inversion suivante, pour la circulation du courant d'air d'alimentation. aans le présent mémoire, on appelle "gaz de purge" le courant gazeux séparé utilisé pour chasser les dépôts des passages Pour que l'installation fonctionne de manière continue au cours de périodes successives, les deux jeux de passages doivent avoir une résistante à l'écoulement pratiquement égale, en ce qui concerne l'écoulement du courant d'air d'alimentation. Ainsi, le rapport des pertes de charge du courant d'air d'alimentation et du courant de gaz de purge est fixé en fonction des débits relatifs et des poids spécifiques de travail des deux courantes. n peut arriver qu'il soit souhaitable de trasailler avec un rapport de part@@ de charge des courants d'air d'alimentation et de gaz de purge qui soit différent de celui qu'on peut obtenir avec le système classique d'inversion. L'invention concerne un échangeur à plaques qui permet d'obtenir cette caractéristique. Un échangeur à plaques selon l'invention comprend au moins trois Jeux de passagers, chacun des jeux présentant une résistance à la ciroulation de fluide qui est pratiquesent égale à celle de chacun des deux autres jeux, et un système de soupapes qui permet de faire passer le premier fluide dans les passages d'un jeu en laissant un second fluide passer dans les passages des deux autres Jeux, le système e de soupapes fonctionnant après des périodes prédéterainées pour faire passer le courant du premier fluide dans les autres Jeux de passages successivement, de manière que les jeux de passages dans lesquels ne circule pas le premier fluide à un moment donné, soient occupés par le second fluide. Avec l'échangeur de l'invention, si un courant d'air d'alimentation conitue le premier fluide passant dans un jeu de passages et un courant de gaz de purge constitue le second fluide passant dans les autres jeux, du fait de la différence entre les sections totales de passage des deux courants, le rapport des pertes de charge est différent dans les deux courants de celui qu'on obtient avec un échangeur à plaques dont on inverse les deux courants de manière classique. Dans un mode de réalisation, un échangeur à plaques comprend trois jeux de passages dans lesquels circule un courant d'air d'alimentation ou un courant de gaz de purge. Â un moment donné, l'un des trois jeur de passages contient le courant d'air d'alimentation, et les deux autres le courant de gaz de purge. Le courant d'air passe de l'extrémité chaude à l'extrémité froide de l'échangeur, alors que le gaz de purge passe en sens opposé pour chasser les dépôts des parois des passages, formé@ au tours des périodes précédentes, lors de la circulation du courant d'air dans chacun des deux autres jeux de passages.L'échangeur peut comprendre un ou plusieurs autres jeux de passages pour la circulation d'un troisième fluide au moins qui ne travaille par comme un gaz de purge. Le système classique d'invention peut donner une perte de charge d'environ 0,06 bar pour le courant d'air d'alimentation et 0,15 bar pour le courant de gaz de purge. Le système à trois voies, c'est-à-dire comprenant trois jeux de passages selon l'invention, avec le même nombre total de passages que le système à inversion, donne use perte de charge d'environ 0,12 bar pour le courant d'air d'alimentation et d'environ 0,09 bar pour le courant de gaz de purge. Ces pertes de charge différentes donnent une consommation d'énergie inférieure, pour l'installation oryo- génique complète,à celle d'une installation similaire ayant des échangeurs travaillant avec le système classique à deux voies.Dans une variante, si on saintient dans le système à trois voies la perte de charge du gaz de purge à 0,15 bar, on peut réduire le noabre total de Passages aux trois quarts de ce qui est nécessaire pour obtenir la même pression avec un système à deux voies, si bien que l'échangeur ainsi réalisé est moins cher. Dans un autre iode de réalisation de l'échangeur de l'invention, celui-ci comprend quatre Jeux de passage dans lesquels ciroulent le courant d'air d'alimen- tation et le. courants de gaz de purge, un seul des jeux étant utilisé à un moment donné pour le Passage du courant d'alimentation, la perte de charge du courant d'air étant d'environ 0,2 bar et celle du gaz de purge d'environ 0,075 bar, le nombre total de pessages étant le même que pour un système à deur voies du type antérieur. Le système de soupapes qui commande la oirculation du fluide peut comprendre des soupapes séparées, une pour chaque jeu de passages On peut faire fonctionner par exemple les soupapes à l'aide d'un dispositif de minutage. Dans ce oas, chaque soupape peut être commandée par une bobine et est destinée à relier au Jeu de passages convenable le courant d'air d'alimentation, les autres jeux de passages étant reliés au gaz de purge par les soupapes respectives. Dans une variante, le système de soupapes peut être un distributeur. Dans le cas d'un échangeur à trois jeux de passages, le distributeur a trois orifices reliés chacun à un jeu, un orifice d'entrée du courant d'air d'alimentation et un orifice de sortie de gaz de purge provenant de deux jeux de passages. Le distributeur travaille à intervalles minutés, et relie chacun des trois orifices des Jeux à l'entrée du courant d'air d'alimentation, les deux autres jeux étant reliés à la sortie du gaz de purge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé dont la figure unique représente un schéma d'échangeur de chaleur et du système de soupapes associé. Dans une installation cryogénique, on retire l'eau et le gaz carbonique d'un courant d'air d'alimentation en faisant passer l'air dans les passages d'un échangeur à plaques. L'échangeur de l'installation comprend deux blocs 10 et Il montés en série. Chaque bloc comprend un empilement de plaques distantes placées face à faoe et forment plusieurs passages, chacun des passages contenant des éléments secondaires d'échange formés par des ondulations, de manière connue. Chaque bloc comporte cinq Jeux de passages appelés dans le présent mémoire jeux 1 à 5; les passages de chaque Jeu de chaque bloc sont reliés par des collecteurs la à Sa avec un Jeu correspondant de l'autre bloc. Cette disposition donne un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie pour chaque jeu de chaque bloc, et les collecteurs respectifs de chaque bloc sont reliés par des tuyauteries 12. Les jeux 1, 2 et 3 ont des caractéristiques de perte de charge pratiquement égales pour les deux blocs 10 et 11 et ils sont destinés aux courants 13 et 14 d'air et de gaz de purge respectivement, qui doivent être reliés successivement aux jeux 1, 2 et 3. Les jeux restants 4 et 5 sont destinés A la circulation d'un courant de produit pur dans le jeu 4 et d'un courant de recyclage dans le Jeu 5. Le mourant de produit pur n'est pas contaminé par les fluides qui passent dans les autres jeux, mais on l'utilise pour ses qualités frlsorlfiques, de manière à régler la différence de température dans les jeux 1 à 3. Le courant de produit pur est uns caractéristique éventuelle. Chacun des collecteurs la, 2a et 3a placés à l'entrée d'air d'alimentation, c'est-à-dire à l'extrémité chaude du bloc 10, est relié à deux soupapes 15 de cofflmutation, et chacun des collecteurs placés à la sortie d'air, c'est-à-dire à l'extrémité froide du bloc 11, est relié N un clapet de retenue 16. Dans un exemple de cycle de fonctionnement d'échangeur dans une installation cryogénique, comme représenté sur le dessin, les soupapes 15 de la canalisation d'entrée d'air d'alimentation sont ouvertes pour le jeu 2 et fermées pour les jeux 1 et 3, et elles dirigent la totalité du courant d'air dans le jeu 2. La soupape 16, placée à la sortie du jeu 2 du bloc 11, est automatiquement ouverte par la pression du courant d'air. Les soupapes 15 de sortie du gaz de purge sont ouvertes pour les jeux @ et 3, et lee soupapes 16 s'ouvrent autosatiquemeat pour permettre le passage da gaz de purge qui pénètre dans les jeux 1 et 3. Après une période prédéterainée au cours de laquelle se forment des dépits de "neige" dans le jeu 2, les soupapes 15 des jeux 2 et 3 fonctionnent et permettent la circulation d'air dans le Jeu 3 seulement, le gaz de purge passant dans les jeux 1 et 2. 15 Après une autre période, les soupapes/des jeux I et 3 fonctionnent pour faire psaeer le courant d'air dans le jeu 1, alors que le gaz de purge passe dans les jeux 2 et 3. En commençant avec l'air circulant dans le jeu 2, la suite ci dessus recommence indéfiniment, de manière à maintenir en fonctionnement l'installation, chacun des jeux 1, 2 et 3 étant purge en totalité au cours de chaque cycle de fonctionnaient des soupapes. Le oourant de produit pur circulant dans le Jeu 4 et le courant de recyclage circulant dans le jeu 5 ne participent pas à la commutation qu'on vient de décrire, mais le courant de produit pur peut passer dans une soupape destinée à un fin des différences de température. Comme le entre le dessin, le ont de recyclage peut circuler avec une purge totale ou partielle entre les deux blocs 10 et 11. Dans une variante de l'échangeur (non représentée), les deux blocs 10 et 11 fanant un seul ensemble. Dans changeur décrit, les pertes de charge relatives du courant de gaz de purge et du courant d'air d'alimentation sont différentes de celles qu'on observe avec un système à deux voies, et, suivant les valeurs relatives des pertes de charge nécessaires, on peut choisir d'autres systèmes tout en restant dans le cadre de l'invention. n est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu' titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les rewendications annexées. REVENDICATIONS 1, - Echangeur de chaleur à plaques, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois jeux de passages, chaque Jeu présentant une résistance à la circulation de fluide pratiquement égale à celle de chacun des deux autres Jeux, et un système de soupapes qui assure le passage d'un premier fluide dans un Jeu et celui d'un second fluide dans les autres jeux, le système de soupapes fonctionnant après des périodes déterminées, de manière à transférer le courant du premier fluide dans les autres jeux de passages successivement, de manière que les jeux dans lesquels ne circule pas le premier fluide à un moment donné contiennent du second fluide. 2. - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un jeu supplémentaire de passages destiné à la circulation d'un troisième fluide au moins. 3. - Echangeur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système de soupapes comprend des soupapes séparées destinées au réglage de la circulation de fluide dans chaque jeu de passages.