Brevet FR2145385A1 — publié le 19730223

La présente invention concerne, d'une manière générale, lesgsgsttèmes de transmission de chaleu & ns lesquels une source déga / une chaleur intense, telle qu'un moteur à réaction, fournit un courant continu de gaz chauds devant transmettre de la chaleur à un agent circulant dans des serpentins ou organes analogues interposés sur le trajet de ces gaz chauds. On a par exemple utilisé des systèmes de transmission de chaleur de ce genre à bord d'avions, où les gaz d'échappement chauds d'un moteur à réaction servent à chauffer de l'air circulant dans un échangeur de chaleur relié à l'échappement du moteur. L'air chauffé sert lui-mezme à chauffer la cabine, à dégivrer les bords d'attaque des ailes et dérivés et à des fins analogues. On a aussi proposé de vaporiser des liquides cryogènes, tels que l'azote liquide, dans un échangeur de chaleur du type à immersion dans lequel un ou plusieurs brûleurs projettent à travers des conduits des gaz d'échappement chauds, sous pression su ratmosphërique, dans une masse d'eau entourant des passages de transmission de chaleur dans lesquels circule l'azote. Dans cet agencement à deux étages, l'eau est chauffée par suite d'un contact direct par barbotage avec les gaz d'échappement chauds et assure elle-meme le chauffage et la vaporisation de l'azote liquide circulant dans les passages de transmission de chaleur.Bien que cet agencement modère le gradient de température qui s'établit entre les gaz chauds et l'azote liquide froid, le matériel de transmission de chaleur à deux étages est encombrant et onéreux et son assemblage est compliqué. Or , 1 t effet de modération thermique précité est non seulement souhaitable, mais particulièrement important lorsqu'on doit vaporiser des hydrocarbures liquides cryogènes, tels que le mé- thane (gaz naturel) liquide pour les introduire par des canalisations dans des réseaux industriels de stockage ou de distribution. Pour de tels liquides, l'application d'un excès de chaleur aux surfaces de transmission de chaleur peut être dangereuse et provoquer des explosions, des incendies,etc. Pour autant qu'on le sache, il n'a pas à ce jour été mis au point un système de transmission de chaleur efficace, simple et peu coûteux, à un seul étage, utilisant la chaleur des gaz d'échappement d'un moteur (ou d'un brûleur à combustible) pour vaporiser de manière sûre et efficace des liquides cryogènes et autres agents analogues. Tel qu'utilisée ici, ltexpression "liquide cyrogène" désigne un liquide, ordinairement gazeux à température ambiante, dont le maintien à l'état liquéfié exige une température nettement inférieure au point de congélation de l'eau. Suivant l'invention, une source commode de chaleur, par exemple l'échappement d'un moteur à réaction ou d'un brûleur, est reliée à un conduit présentant une section droite -à aire suffisante pour y assurer la circulation continue des gaz d'échappement. Des serpentinus de transmission de chaleur ou autres organes analogues, dans lesquels circule un liquide cyrogène à vaporiser , sont directement exposés dans le conduit, au courant de gaz d'échappement. Pour atténuer la transmission de chaleur à partir des gaz d'échappement chauds, on dispose un collecteur ou organe analogue près de l'échappement du moteur, en amont des serpentins de transmission de chaleur, pour injecter ou pulvériser directement de l'eau de refroidissement dans les gaz d'échappement, sur toute la surface de la section droite de leur trajet d'écoulement de circulation. Le passage de la majeure partie ou de la totalité de l'eau à ltétat de vapeur résultant fait baisser, d'une part, la température des gaz d'échappement et fournit, en outre, un agent plus dense et plus efficace pour la transmission uniforme de chaleur aux serpentins contenant du liquide. Lorsque la conservation de l'eau présente de'intéret, on peut recueillir dans le conduit l'eau condensée sur les serpentins et la renvoyer par pompage à la surce d'eau projeté. Dans une réalisatinn préférée de l'invention, on peut commodément utiliser un turbo-réacteur classique, fournissant des gaz de vaporisation chauds ainsi que l'énergie d'entrainement des pompes alimentaire et de circulation déplaçant respectivement l'eau projetée, le liquide cryogène et le condensat recyclé. La présente invention a donc pour objet un échangeur à gaz chauds perfectionné pour la vaporisation de liquides cyrogènes, dans lequel la température des gaz chauds soit nettement réduite et leur masse augmentée par un agent de transmission de chaleur inerte, ceci pour réduire les risques se surchauffe pendant l'é- change de chaleur et rendre la transmission de chaleur plus efficace,cet échangeur de chaleur étant propre à utiliser les gaz dléchappement d'un moteur à réaction, mélangés-avec de la vapeur d'eau,pour assurer efficacement et sans risque la vaporisatiQn du liquide cryogène, son agencement et sa structure étant simples et peu coûteux. Un mode de réalisation préféré de l'invention est décrit ci-après à titre d'exemple avec référence aux dessins annexés dans lequels Figure 1 est une vue schématique, avec coupe , d'un échangeur de chaleur à gaz chauds suivant l'invention; Figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1. L'échangeur de chaleuvreprésenté comprend une source commode de chaleur, telle que moteur à réaction classique 10, présentant un tuyau d'échappement 12. Un conduit 14, relié à ce tuyau d'échappement, reçoit les gaz d'échappement chauds du moteur, qui balaient les surfaces d'échange de chaleur de serpentins 16, logés dans le conduit sur le trajet des gaz d'échappement. Dans les serpentins 16 circule un liquide cryogène, tel que du gaz naturel liquéfié, qu'on doit vaporiser pour l'utiliser industriellement. Le conduit 14 diverge à partir du tuyau d'échappement, définissant ainsi une chambre 20 dans laquelle les gaz d'échappement subissent un ralentissement destiné à accroffre le temps de contact entre la masse de gaz en mouvement et les surfaces d'échange des serpentins 16. Dans l'échangeur de chaleur à un seul étage décrit jus qu'à présent, les gaz d'échappement fortement chauffés qui balaient directement les serpentins en échangeant de la chaleur avec eux tendent à surchauffer et à affaiblir les serpentins,ainsi qu'à surchauffer leur contenu. Tel quel, cet agencement engendre donc un risque grave d'explosion et/ou d'incendie. Suivant l'invention, on réduit fortement ou l'on supprime pratiquement ce risque en réduisant en fait par pulvérisation d'eau la température des gaz d'échappement avant que ceux-ci ne touchent les serpentins 16. Simultanément, la vapeur d'eau résultante augmente la masse du courant gazeux et assure une transmission de chaleur efficace sur toute la surface des serpentins. A cette fin, on prévoit en amont des serpentins 16 ,un collecteur pour la projection de jets multiples d'eau destinée à refroidir les gaz chauds. Cet agencement comprend avantageusement deux tubes de pulvérisation annulaire concentriques 22 et 23 montés dans la section de diffusion 24 entre le tuyau d'échappe- ment et la chambre 20, de sorte que les gaz circulent transversa lement au plan du collecteur, comme indiqué sur les figures 1 et 2. Pour injecter de l'eau pulvérisée dans les gaz d'échappement, les tubes de collecteur présentent des orifices de pulvérisation 26 ( ou des ajutages, à volonté),angulairement espacés et dirigés vers la chambre 20 et les serpentins 16.Le collecteur est relié par des tuyaux 28 et 29 à une source d'eau sous pression, telle qu'une pompe 30, qui l'alimente de façon continue en eau à proje- ter. En fonctionnement, l'eau émanant du collecteur 22, 23 est injectée dans les gaz d'échappement sous une pression suffisante pour que les jets divergents indiqués en 32 pénètrent et diluent le courant de gaz chauds sur toute sa section. L'eau projetée, de préférence sous forme de brouillard épais, prélève rapidement de la chaleur sur le courant de gaz chauds et passe à l'état de vapeur, imposant ainsi à la température du courant une diminution qui dépend de la température d'arrivée de l'eau et de la chaleur absorbée pendant la vaporisation, représentée par l'expression M( b t) +(HV x M) M étant la masse de 11 eau projetée, t l'écart entre les températures d'arrivée de l'eau et de vaporisation et HS la chaleur de vaporisation par unité de masse d'eau. En diminuant ainsi le gradient de température établi par les gaz chauds au niveau des surfaces d'échange des serpentins 16, la masse de vapeur d'eau résultante assure une transmission de chaleur plus efficace le long de ces surfaces. En effet, quand la vapeur d'eau touche la surface relativement froide des serpentins à liquide cryogène, la condensation résultante fait opérer aux serpentins une transmission de chaleur plus efficace et plus uniforme que par simple contact avec des molécules de gaz chauds. De plus, le caractère inerte du courant gaz-vapeur d'eau minimise le risque de voir une explosion survenir dans l'échangeur de chaleur par exemple en cas de fuite de méthane à partir d'un serpentin défectueux. En conséquence, on supprime ainsi les inconvénients des échangeurs à gaz chauds antérieurs, tout en conservant les avantages évidents des échangeurs à un seul étage. Pratiquement, la position à conférer au collecteur de projection d'eau 22, 23 en amont des passages d'échange de chaleur est déterminée empiriquement d'après la quantité d'eau de refroidissement à projeter pour ramener la chaleur latentes gaz d'échappement à un niveau pratiquement convenable. De préférence, le décalage vers l'amont est tel que l'eau projetée passe à l'état de vapeur avant de balayer les surfaces d'échange des passages de liquide afin qu'on obtienne le meilleur pouvoir de transmission de chaleur du mélange gaz-vapeur d'eau. Les gaz d'échappement et la vapeur d'eau usés sont convenablement envoyés à l'atmosphère à partir de la chambre 20 par une cheminée 34. La fraction de vapeur d'eau qui se condense par contact avec les passages à liquide cryogène initialement froids est recueillie en 36 dans un réservoir ménagé à la base de la chambre 20, d'où elle est évacuée par une pompe 38 et éventuellement renvoyée à l'admission de la pompe à eau 30. Pour renvoyer au réservoir l'humilité entrainée par les gaz usés, on peut monter un siège à eau ou séparateur classique, désigné par la référence générale 35, dans la cheminée 24. Le liquide cryogène circulant dans les serpentins d'échange 16, à savoir un gaz naturel liquéfié dans l'exemple choisi, est prélevé par une pompe 42 sur une source d'emmagasinage convenable indiquée en 41 et envoyé dans les serpentins pour s'y vaporiser, le gaz naturel ainsi obtenu étant dirigé par une conduite 44 vers un réseau de stockage ou de distribution. Les pompes 30, 38 et 42 précitées sont avantageusement mues par de l'énergie prélevée par des prises de mouvement 40 sur le moteur à réaction 10. Bien entendu, la description ci-dessus nta aucun caractère limitatif et l'on pourra apporter au mode de réalisation décrit diverses modifications et variantes, sans sortir du cadre de l'invention, tel que défini par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1- Echangeur de chaleur à gaz chauds pour la vaporisation de liquides cryogènes, comprenant un moyen engendrant un courant de gaz chauds, une chambre de réception de ce courant présentant des passages dans lesquels un liquide cryogène circule en relation d'échange de chaleur avec le courant de gaz, caractérisé par un moyen situé en amont des passages d'échange de chaleur, pour injecter de l'eau dans le courant gazeux en vue de réduire sa température et augmenter sa masse de transmission de chaleur. 2 - Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'injection introduit de l'eau pulvérisée dans le courant gazeux, sur toute sa section. 3 - Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'injection introduit de l'eau pulvérisée à partir d'une série de points disposés en cercle dans un plan transversal à la directinn du courant gazeux. 4 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le courant gazeux est envoyé dans la chambre à travers un passage de circulation dont la section croit pour réduire la vitesse de courant entrant en contact avec les surfaces de transmission de chaleur. 5 - Echangeur selon la revendication 4, caractérisé ce que le moyen d'injection d'eau est situé dans le passage de circulation à section croissante. 6 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen d'injection comprend un collecteur présentant des trous espacés sur son pourtour pour l'injection d'eau pulvérisée dans le courant gazeux. 7 - Echangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le collecteur comprend deux tubes annulaires concentriques et aptes à pulvérisept'eau vers l'aval et vers l'intérieur de la chambre d'échange de chaleur. 8 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les passages de liquide cryogène sont définis par des serpentins interposés sur le trajet du courant de gaz et en ce que le moyen d'injection d'eau est assez espacé vers l'amont pour que l'eau soit sensiblement valporisée dans le courant gazeux lorsqu'apparaît le contact d'échange de chaleur avec les surfaces des serpentins 9 - Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le courant de gaz chauds provient de l'échappement d'un moteur à réaction et en ce qu'une série de pompes, toutes entraînées par de l'énergie prélevée sur le moteur, assurent respectivement la circulation de l'eau à injecter, la circulation du liquide cryogène dans les passages d'échange de chaleur et le renvoi à la source d'eau à injecter de l'eau condensée sur les surfaces froides de la chambre d'échange. 10 - Procédé de commande d'un échangeur de chaleur à gaz chauds comportant des moyens qui engendrent un courant de gaz chauds pour vaporiser un liquide cryogène traversant des passages d'échange de chialeur, caractérisé en ce qu'on injecte de l'eau pulvérisée dans le courant de gaz, sur toute sa section, assez en amont desdits passages d'échange pour vaporiser la quasi-totalité de l'eau et en ce qu'on envoie le courant mixte de gaz et de vapeur balayer les passages de liquide en relation d'échange de chaleur avec eux. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les passages d'échange contiennent du gaz naturel liquéfié et en ce qu'on injecte de l'eau pulvérisée dans le courant de gaz à un taux suffisant pour maintenir l'échangeur de chaleur sous atmosphère inerte et pour réduire la température du courant, afin d'Sviter toute surchaurfe de liquide à vaporiser circulant dans les passages d'échange.