Brevet FR2205659A1 — publié le 19740531

La présente invention est relative à un échangeurrefroidisseur de fluides, notamment de gaz et d'air, et plus particulièrement d'air comprimé, du type comportant deux faisceaux tubulaires dont l'un est parcouru par le fluide frigorigène et l'autre par le fluide à refroidir, ces deux faisceaux tubulaires étant disposés dans une enceinte contenant un troi sième fluide intermédiaire, dit irigorifbre, mis en circulation forcée par une pompe à travers l'enceintement, dans -lequel baignent les deux faisceaux tubulaires.On sait que ces échangeurs présentent, par rapport à ceux où le fluide à refroidir est en contact direct avec les tubes véhiculant le fluide frigorigène, l'avantage de comporter un volant de froid accumulé dans le fluide intermédiaire (éventuellement un liquide congelable) et qui permet de réduire la fréquence du redémarrage de la machine fri gorifique. Cependant, le rendement de ces échangeurs n'est pas très satisfaisant, la transmission du froid à la surface d'échange entre le fluide frigorifère et le fluide à refroidir s'ei- fectuant dans de mauvaises conditions en raison de la faible masse de gaz.Pour améliorer ce rendement on est conduit à dimi- nuer la différence de température entre le gaz à refroidir et celle du fluide frigorifère, mais cette différence a une valeur minimale que l'on ne peut dépasser sans augmenter d'une façon excessive le débit du fluide frigorifère en circulation. L' échangeur-refroidisseur suivant l'invention permet de remédier aux inconvénients des appareils du type rappelé ci-dessus ; il est caractérisé par le fait que les deux faisceaux tubulaires sont disposés l'un au-dessus de l'autre,que les tubes des dieux faisceaux sont montés dans des cloisons transversales formant des passages en chicanes à travers lesquels le fluide frigorifère est mis en circulation par une pompe en venant alternativement en contact avec les deux faisceaux. Grâce à cette disposition le fluide frigorifère s'écoule perpendiculairement aux tubes des deux faisceaux en assurant par la turbulence ainsi produite, un bon coefficient de transmission. En outre, le fluide frigorifère passe un grand nombre de fois, alternativement sur les tubes frigorigènes et sur les tubes à refroidir de sorte que sa température est pratiquement constante et voisine de celle du fluide frigorigène l'appareil présente donc à la fois les avantages des appareils à contact direct du réfrigérant avec le fluide à refroidir et ceux des appareils connus à fluide intermédiaire. Suivant une forme de réalisation, le faisceau de tubes parcouru par le fluide à refroidir est monté dans la partie inférieure de l'enveloppe et le faisceau tubulaire parcouru par le fluide frigorigène est monté dans la partie supérieure et constitué par un serpentin à éléments tubulaires en U supportés par les cloisons formant chicanes et prenant appui sur des supports fixés sur la paroi interne de l'enceinte. Grâce à cette disposition on obtient pour l'ensemble du faisceau frigorigène et ses raccordement avec la machine frigorifique un bloc démontable et interchangeable, ce qui permet de réaliser des unités standard constituées par l'en- veloppe et le faisceau de tubes à refroidir que l'on peut combiner avec des faisceaux frigorigènes différents. Cette disposition permet également de réaliser les deux faisceaux avec les tubes en métaux différents sans donner lieu à un couple électrolytique. Par exemple, dans le cas de fluides corrosifs à refroidir on utilisera pour le faisceau correspondant des tubes en acièr inoxydable, tandis que pour les tubes parcourus par le fluide frigorigène il est préférable d'utiliser le cuivre. Enfin, si le fluide frigorifère est congelable, en choisissant un écartement convenable fixe entre les tubes frigorigènes, on peut former sur ces tubes une certaine épaisseur de glace sans les souder entre eux, l'épaisseur de glace étant controlée par un palpeur thermique qui sera décrit plus loin et qui arrete la machine frigorifique dès que ltépaisseur limite de glace est atteinte. A partir de ce moment, le fluide frigorifère non congelé continuant à circuler perpendiculairement aux tubes de glace formés, la température 8e répartit uniformément autour de ces tubes et reste constante pendant toute la durée de la fusion de la glace.Un autre palpeur thermique remet la machine frigorifique en marche en fonction de la différence de température entre le fluide frigorifère et le fluide à refroidir. À titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé une forme de réalisation de l'échangeur-refroidisseur suivant l'invention. La figure 1 en est une vue en coupe longitudinale La figure 2 en est une coupe transversale suivant II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique en coupe transversale montrant la disposition des thermostats régulateurs. L'échangeur-refroidisseur représenté au dessin est constitué par une enveloppe cylindrique 1 sur les extrémités de laquelle sont fixés par brides et boulons non représentés, deux chapeaux en forme de dôme 2 et 3, le chapeau 2 comportant une tubulure d'admission 4 du fluide à refroidir et le chapeau 3 une tubulure d'évacuation 5. La partie cylindrique centrale 1 de l'enveloppe est fermée à ses deux extrémités par deux plaques perforées 6, 6' dans lesquelles sont montées les extrémités des tubes 7, 7', 7" ... formant le faisceau parcouru par le fluide à refroidir et débouchant dans les deux chapeaux 2, 3, ce premier faisceau tubulaire occupant l'espace himi-cylin- drique inférieur de enceinte cylindrique 1.Des cloisons transversales perforées telles que 8, 8', 8" ... sont montées sur les tubes 7, 7', 7" ... ces cloisons étant alternativement prolongées Jusqu'au fond de l'enveloppe 1 et Jusqu'à une certaine distance de ce fond pour des raisons qui seront expliquées plus bas. Dans la partie supérieure de l'enveloppe 1 est découpée une ouverture limitée sensiblement par les génératrices 9, 9' contenues dans le plan médian horizontal (figure 2). Sur cette ouverture est aJustée une enveloppe 10 ayant une section horizontale sensiblement rectangulaire et fermée par un couvercle 11. Dans cette enveloppe est disposé un deuxième faisceau tubulaire destiné au fluide réfrigérant et constitué par plusieurs serpentins 12, 12', 12" ... disposés dans des plans verticaux parallèles et constitués par des éléments en U. Une machine frigorifique 13 alimente ce faisceau tubulaire par une tuyauterie 14, un détendeur 15 et des tubes capillaires 16, 16', 16" ... raccordés aux éléments inférieurs de chaun des serpentins 12, 12', 12" ... qui sont ainsi alimentés en parallèle en fluide réfrigérant. Les éléments supérieurs de ces serpentins débouchent dans un collecteur 17 auquel est raccordée une tuyauterie 18 traversant l'enceinte 10 et baignant dans le liquide frigori fère de manière à faire évaporer les dernières gouttes de fluide frigorigène qui est ramené à la machine frigorifique 13 par la tuyauterie 19 raccordée à la tuyauterie 18 à sa traversée du couvercle 11 de l'enceinte 10. Les éléments des serpentins 12, 12', 12"... traversent des cloisons transversales perforées 20, 20', 20"... disposées dans les memes plans verticaux que les cloisons 8, 8', 8" ... du faisceau inférieur 7, 7', 7" ... avec lesquelles elles sont assemblées par leurs bords d'une façon étanche par des patins 21, 21', 21t' ... ces cloisons 21 qui reposent sur des supports 35, 55" fixés sur l'enveloppe 1 sont alternativement prolongées jusqu'au couvercle 11 et jusqu'à une certaine distance de ce couvercle, de façon à former avec les cloisons 8, 8', 8".. .. des passages en chicanes à travers lesquelles le fluide frigo rifére est pompé à vitesse élevée par la pompe 22 et les tuyaux d'aspiration et de refoulement 25, 24 raccordés à la partie inférieure de l'enceinte. De cette façon le fluide frigorifère pompé passe alternativement sur les tubes 7 et 12 des deux faisceaux qu'il balaye verticalement successivement vers le haut et vers le bas, ce qui permet d'obtenir la constance mentionnée ci-dessus, de la température du fluide frigorifère et la turbulence assurant une bonne transmission thermique. Dans le chapeau 3 de enceinte cylindrique comportant la tubulure d'évacuation 5 du fluide refroidi est disposé un séparateur de gouttelettes se formant dans le fluide refroidi par condensation de l'humidité qu'il contient. Ce séparateur peut être réalisé d'une manière connue quelconque, mais il est de préférence constitué par un séparateur double : le séparateur primaire constitué par des lamelles déflectrices 25, 25', 25"... inclinées vers le bas et disposées sur le trajet de l'air froid sortant des tubes 7 et une plaque 26 le long de laquelle s'écoule l'eau de condensation en grosses gouttelettes, et un séparateur secondaire de gouttelettes fines constitué par des tales telles que 27, 27', 27"... coudées et contrecoudées de façon à former un grand nombre de passages étroits en doublechevrons, les parties inclinées vers le bas formant des déflecteurs sur lesquelles les gouttelettes de condensation s'écoulent du chapeau 3 vers l'extérieur par la tubulure d'évacuation 28. Ainsi qu'il a été dit ci-dessus, l'échangeur refroidisseur suivant l'invention est muni d'un régulateur commandant la machine frigorifique en fonction de la différence de température entre le fluide frigorifère et le fluide refroidi. Ce régulateur schématiquement représenté en figure 3 comporte un thermostat constitué par un bulbe 29 appliqué sur un des tubes 7 du faisceau parcouru par le fluide à refroidir et baignant d'autre part dans le fluide frigorifère, ce qui permet de déceler de très faibles variations de température du liquide refroidi. Le bulbe 29 est relié par des fils 30 au régulateur proprement dit 31 commandant la mise en marche ou l'arret de la machine 13 par des moyens connus en soi. Ainsi qu'il a été dit plus haut, le fluide frigorifère peut etre congelable et former une couche de glace d'une certaine épaisseur sur les tubes 12 du faisceau réfrigérant. Cette épaisseur de glace est contrblée par un bulbe 32 semblable au bulbe 29 appliqué sur l'un des éléments d'un serpentin 12, notamment sur un des éléments de sortie (figure 3) et baignant également dans le fluide frigorifère non congelé, ce qui permet, par l'effet différentiel, de produire un signal lorsque la couche de glace atteint une valeur limite prédéterminée, ce signal étant transmis par les fils 33 à un régulateur 34 commandant l'arret de la machine frigorifique 13. Grace à ce régulateur de sécurité, l'épaisseur de la couche de glace ne peut pas atteindre une valeur abaissant à l'excès de coefficient de transmission thermique entre le faisceau réfrigérant 12 et le fluide frigorifère et empêchant en tous cas la soudure entre eux des différents tubes de glace. - REVENDICATIONS - 1. Echangeur-refroidisseur de fluides, notamment de gaz et d'air du type comportant un faisceau tubulaire dans lequel circule le fluide frigorigène et un faisceau tubulaire dans lequel circule le fluide à refroidir, ces deux faisceaux étant disposés dans une enceinte et baignant dans un fluide intermédiaire, dit frigorifère, caractérisé par le fait que les deux faisceaux tubulaires sont disposés l'un au-dessus de l'autre et que les tubes des deux faisceaux sont montés dans des cloisons transversales formant des passages en chicanes à travers lesquels le fluide frigorifère est mis en circulation par une pompe en venant alternativement en contact avec les deux faisceaux. 2. Echangeur-refroidisseur suivant la revend i- cation 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une enveloppe cylindrique fermée à ses deux extrémités par des chapeaux en forme de dmes assemblés avec l'enveloppe cylindrique dont ils sont respectivement sépares par deux plaques dans lesquelles sont montés les tubes du faisceau parcourus par le fluide à refroidir, notamment de l'air comprimé et débouchant dans les deux chapeaux dont l'un présente une tubulure d'admission et l'autre une tubulure d'évacuation pour ce fluide. 3. Echangeur-refroidisseur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le faisceau de tubes parcourus par le fluide à refroidir est monté dans la partie inférieure de l'enveloppe et le faisceau tubulaire parcouru par le fluide frigorigène est monté dans la partie supérieure et constitué par un serpentin à éléments tubulaires en U supportés par les cloisons formant chicanes et prenant appui sur des supports fixés sur la paroi interne de l'enceinte. 4. Echangeur-refroidisseur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que les cloisons transversales supportant le faisceau tubulaire frigorigène et le faisceau parcouru par le fluide à refroidir sont alignés les unes avec les autres et assemblées par leurs bords opposés au moyen de patins démontables assurant l'étanchéité de l'assemblage. 5. Echangeur-refroidisseur suivant l'ensemble des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la partie cylindrique centrale de l'enveloppe présente dans sa partie supérieure une ouverture ne laissant sensiblement subsister que sa partie semi-cylindrique inférieure dans laquelle sont montés longitudinalement entre les deux plaques de fermeture les tubes du faisceau destiné au fluide à refroidir, une enveloppe de section horizontale rectangulaire s'ajustant sur cette ouverture et contenant le faisceau frigorigène. 6. Echangeur suivant l'ensemble des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le faisceau irigori- gène est constitué par plusieurs serpentins à éléments en U disposés dans des plans parallèles entre eux et à l'axe de l'en- veloppe cylindrique, ces serpentins étant alimentés en fluide réfrigérant par une tuyauterie provenant de la machine frigorifique et un détendeur, par l'intermédiaire de tubes capillaires raccords aux éléments en U inférieurs du serpentin, tandis que leurs éléments supérieurs débouchent dans un collecteur transversal raccordé à un tube commun traversant, après un parcours intérieur à l'enveloppe rectangulaire le couvercle de celle-ci paur etre raccordé à la machine frigorifique. 7. Echangeur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le chapeau de l'enveloppe cylindrique présentant une tubulure d'évacuation du fluide à refroidir contient un séparateur de gouttelettes. 8. Echangeur-refroidisseur suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que le séparateur de gouttelettes est réalisé en deux parties, la première, qui fait iace à la sortie des tubes du faisceau étant constituée par des lamelles déflectrices inclinées vers le bas, et la deuxième par das lamelles métalliques repliées de façon à former des passages étroits en chevrons ou en double chevrons. 9. Echangeur-refroidisseur suivant la revendication 1 à liquide frigorifère congelable, caractérisé par le fait qu'il comporte un régulateur de sécurité commandé par un thermostat à bulbe appliqué d'une part à un tube du faisceau du fluide frigorigène et baignant d'autre part, dans le fluide frigorifère, ce régulateur arretant la machine frigorifique pour une épaisseur déterminée de glace résultant de la congélation du liquide intermédiaire frigorifère sur les tubes du faisceau frigorigène. 10. Echangeur-refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un régulateur agissant en fonction de la différence de température entre le le fluide frigorifère et le fluide à refroidir et commandé par uw thermostat à bulbe appliqué d'une part sur l'un des tubes parcouru par le fluide à refroidir et baignant d'autre part dans le fluide frigorifère.