Brevet FR2243407A1 — publié le 19750404

La présente invention, concernant des échangeurs de chaleurs est plus spécifiquement relative à un échangeur à gaz chaudsnoyés, servant à la gazéification dtun liquide à traiter, dit liquide de travail, à température extrêmement basse, tel que du gaz naturel liquéfié passant de l'état liquide à 11 état gazeux, et plus particulièrement à un vaporisateur du type à combustion noyée. Rn ce qui concerne ce genre d'échangeur de chaleur, on connut déjà un échangeur de chaleur à combustion noyée, exposé par le brevet des E0U.Â0 n0 3 368 548. Mais dans cet échangeur, à cause de ltétat dans lequel du gaz chaud provenant des brt- leurs est déchargé dans de 11 eau à travers des ouvertures ménagées à la périphérie de la portion terminale de la chambre pla cée au centre d'un réservoir, les tubes de l'échangeur de chaleur au voisinage des ouvertures sont en bon contact avec le liquide échangeur de chaleur bouillonnant à grande énergie, mai en s1 écartant des ouvertures, énergie du liquide bouillonnant diminuera et par suite le transfert de chaleur se réduira et la transmission de chaleur des tuyaux aura tendance à ne pas autre uniforme. Par conséquent il est difficile d'accroitre la capaci- té d'échange thermique en augmentant les rangées de tubes et il est nécessaire d'enclore les tubes par un déversoir, de façon que le liquide échangeur de chaleur, chauffé par du gaz chaud, puisse s'élever à travers les tubes.En outre, comme le collecteur d'entrée du fluide de travail est constitué par une structure à tube unique, lorsque le liquide passe à travers son collecteur d'entrée, il est chauffé à température élevée par le liquide échangeur de chaleur en dehors du collecteur et une partie du liquide en contact avec la paroi interne du collecteur sera gazéifiée en formant une couche mince (ébullition pellicu laird), Cette couche mince constituée seulement par du gaz aura tendance à s'écouler dans les tubes de ltéchangeur de chaleur près de 11 entrée du collecteur et seul le liquide coulera dans les tubes, à partir de l'entrée du collecteur, l'écoulement dans chacun des tubes n1 étant pas uniforme ; ainsi il sera dif- ficile d'obtenir une gazéification uniforme dans les tubes de l'échangeur de chaleur, ce qui est un grave inconvénient, En outre, lorsque le liquide de travail à basse température circulant à travers les tubes reçoit de la chaleur du liquide échangeur de chaleur situé en dehors des tubes et bout de façon à être gazéifié, l'ébullition pelliculaire se produira sur la paroi interne des tubes, le taux d'échange de chaleur s'abaissera à cause de la présence de la couche mince en ébullition et il sera difficile de bien transmettre au liquide de travail à basse température, se trouvant dans les l'énergie calorifique du liquide échangeur se trouvant à l'ex- térieur des tubes0 Par conséquent, afin de gazéifier de façon parfaite le liquide à basse température, il est nécessaire d'élever la température du liquide échangeur Mais si la température du liquide est élevée, les pertes de chaleur résultant de la vaporisation du liquide échangeur de chaleur, du rayonnement thermique provenant de la paroi extérieure du réservoir contenant le liquide échangeur et de l'énergie calorifique des gaz de rebut déchargés à travers le liquide échangeur seront grandes, Par conséquent, on a l'inconvénient que l'appareil doit titre de grandes dimensions et que les colts de fonctionnement sont accrus Un objet de la présente invention consiste à fournir un échangeur de chaleur à gaz chaud noyé dans lequel on nta pas besoin de déversoir et dont le rendement thermique est élevé, Un autre objet de l'invention consiste à fournir un éehan- geur de chaleur à gaz chaud noyé dans lequel le réservoir du collecteur d'entrée du liquide de travail est établi avec une structure double pour éviter d'avoir une gazéification non uniforme, Un autre objet de l'invention consiste à fournir un échangeur de chaleur à gaz chaud noyé dans lequel on prévoit une plaque déflectrice en forme de spirale à structure simple dans la zone d'évaporation du liquide de travail à l'intérieur des tubes de l'échangeur de chaleur, pour éviter ltébullition pellin culaire désavantageuse. On se référera maintenant, à titre d'exemple non limitatif à la description ci-après en se référant au dessin ; sur ce dernier - la figure 1 est une vue en partie en coupe dlun échangeur de chaleur à gaz chaud immergé incorporant la présente invention - la figure 2 est une coupe prise suivant la ligne Il-Il de la figure 1 - la figure 3 est la coupe d'une partie du réservoir collecteur d'entrée présentant une structure de tuyau double pour éviter une gazéification non uniforme, et la figure 4 est un détail en élévation en partie coupée de tube d'échangeur de chaleur à ailettes pour un mode de réales sation conçu pour éviter l'ébullition pelliculaire comme dans le cas de la figure 3. On voit sur les figures 1- à 3 un réservoir 1 rempli d'un liquide échangeur de chaleur, réservoir qui est fermé à sa partie supérieure par une plaque couvercle 17 et pourvu en son cen tre d'une cheminée d'évacuation 18o On y trouve aussi un brûleur 2 monté sur le dessus du réservoir 1 et pourvu d'un orifice à buse pour gaz de combustion å haute température, dirigé vers le bas, le repère 5 désigne un tube cylindrique formant chambre de combustion et débitant les gaz de combustion vers le bas et vers l'eau, tube qui est assemblé à son extrémité supérieure au brûleur 2 et qui comporte du c#té de son extrémité inférieure une bride annulaire 7 de raccordement0 Le tube "gicleur't-4 conduisant les gaz de combustion est disposé horizontalement et assemblé à une extrémité à la-bride 7 ; il comporte un grand nombre d'ouvertures de traversée 8, laissant passage aux jets des gaz de combustion et à l'air, qui sont ménagées à sa surface supérieure, On voit encore sur ces figures un échangeur de chaleur 5 à tubes en serpentin à portions parallèles et comportant chacun une paire d'ailettes ou plaques 19, supérieure et inférieure, parallèles à la surface ondulée de la-périphérie extérieure et qui sont soudées aux deux extrémités aux réservoirs collecteurs respectifs, de façon q# le liquide de travail puiss#epasser à travers elles. Le repère/se réfère à un ensemble échangeur de chaleur constitué par la multiplicité des tubes 5 formant un serpentin, un réservoir collecteur d'entrée de liquide 10 et un réservoir collecteur de sortie de gaz 11j 12 se ré-fère à un tube de petit diamètre présentant de nombreux orifices 9 de décharge du liquide de travail qui sont prévus sur la surface inférieure dans la direction longitudinale et qui sont pré- vus à l'intérieur du réservoir collecteur d'entrée de liquide 10 de façon que le réservoir collecteur d'entrée constitue une structure à deux tubes l'un dans l'aetre. Les repères 13 et 14 désignent des embouts ressectivement d'entrée et de sortie, 15 étant le tube d'entrée du liquide i travail et 16 un tube de sortie du gaz. Un - - mode de réalisation pour empêcher la formation de l'étuîlition pelliculaire est représenté sur la figure 4. Dans chaque tube échangeur de chaleur 5 une plaque déflectrice en spirale 20, ayant un diamètre extérieur plus petit que le diamètre intérieur du tube S/est insérée dans la zone d'évapo- ration. L'appareil selon la présente invention, constitué par la structure précédemment décrite, fonctionne comme suit. Les gaz de combustion engendres dans le chaleur 2 passeront dans le tube 3-et dans le tube "gicleur" 4 à gaz de combustion et seront proJetés à grande vitesse dans du liquide travers les ouvertures 8. Les gaz de combustion et lé liquide échangeur échangeront leur énergie thermique tout en se mélangeant et en zssme temps s'écouleront avec violence vers le haut la du fait de/poussée ascensionnelle de/ p passeront rapidement dans les intervalles entre les tubes respectifs, transmettront en méme temps l'énergie calorifique du liquide échangeur au liquide de travail à basse température qui circule à travers les tubes 5, se déverseront hors de l'organe 6 échangeur de chaleur, s'écouleront vers le bas, seront à nouveau chauffés par les gaz de combustion en dessous de ltorgane échangeur de chaleur et circuleront à l'intérieur du réservoir0 Dans ce processus les gaz de combustion se sépareront du liquide dans la partie supérieure du réservoir et seront évacués par la cheminée 18. Par ailleurs, le liquide de travail à gazéifier arrivera dans le réservoir collecteur d'entrée 10 par l'embout entrée 13 et le tube 15, sortira par les orifices de décharge 9 du tube 12 à petit diamètre pratiqués sur la surface inférieure de ce tube et dans sa direction longitudinale, et s'écoulera dans les tubes respectifs 5 échangeurs de chaleur en passant par le passage annulaire formé par la paroi interne du réservoir collecteur d'entrée et la paroi externe du tube à petit diamètre Le liquide de travail dans le tube absorbera la chaleur d'évaporation du liquide échangeur bouillonnant à l'extérieur des tubes et, tout en serpentant à partir de l'extrémité inférieure du tube, il sera progressivement gazéifié, deviendra un vrai gaz à l'extrémité supérieure du tube et sera évacué par l'intermédiaire du réservoir collecteur de sortie 11, du tube de sortie de gaz 16 et de l'embout de sortie 14. Dans ce mode de réalisation, ainsi qu'il a été mentionné ci-dessus, comme le réservoir collecteur d'entrée est établi avec une structure à double tuyau, on n'aura pas une gazéifi- cation hétérogène et, le liquide de travail circulant dans les tubes 5, il se produira de 11 ébullition pelliculaire sur la paroi interne des tubes 5, mais le liquide de travail recevra une impulsion tournante par la plaque déflectrice en spirale 20 qui est prévue dans la zone d'évaporation (avec un diamètre inférieur au diamètre intérieur du tube) et sera projeté par la force centrifuge en rompant la pellicule de gaz, Ainsi l'ébullition pelliculaire sur la paroi interne des tubes ne sera pas durable et le rendement de la transmission de chaleur du liquide-éehangeur au liquide de travail dans les tubes s'améliorera ; aussi le liquide de travail sera parfaitement transformé en gaz à l'extrémité supérieure des tubes et sera évacué par le réservoir collecteur de sortie 11, le tube -de sortie 16 et l'embout de sortie 140 Dans la présente invention, comme il a été mentionné cidessus, comme les gaz de combustion sont projetés dans un liquide à travers la surface supérieure du tuyau "gicleur" à gaz de combustion situé au centre, en dessous#de l'organe 6 échangeur de chaleur, quelle que soit la position particulière de chaque tube 5, la chaleur sera transmise de façon sensiblement uniforme et on pourra titre str d'obtenir la gazéification parfaite du liquide dans tous les tubes, Egalement, comme on a #prévu une paire d'ailettes à la surface périphérique extérieure du tube, la surface de transmission de chaleur des tubes sera augmentée, la transmission de la chaleur à travers les tubes sera accrue et en meme temps les ailettes formeront un passage d t écoulement pour le gaz de combustion et le liquide échangeur entre les tubes respectifs, de sorte que le liquide bouillonnant, échangeur de chaleur, peut effectivement monter en passant à travers les tubes respectifs, Par suite, le déversoir enfermant les tubes, qui était nécessaire jusqu'à présente dévient inutile, En outre, comme le réversoir collecteur d'entrée du liquide de travail est constitué sous forme dsune structute double, on obtiendra une phase gaz-liquide -bien mélangée et uniforme, avant que celle-ci ne passe dans les tubes, de sorte qu'on peut obte-nir une gazéification avantageuse et uniforme0 Pour confirmer expérimentalement l'effet du mode de réalisation, selon figure 4, dans lequel on prévoit une plaque déflectrice en spirale dans les tubes, on a procédé aux essais suivants Quand on voulait gazéifier 15 tonnes de gaz naturel liquéfié par heure, avec un échangeur de chaleur classique, il fallait pour le liquide échangeur de chaleur une température de 6400 et le rendement thermique n'était que de 80 ;; au contrait re, avec l'échangeur de chaleur selon ce mode de réalisation, comportant une plaque déflectrice insérée dans les tubes, la température de liquide requise était de 260C et le rendement thermique a atteint 99 %0 Ce qui veut dire qu'avec ce mode de réalisation, la température du liquide a pu autre réduite d'envis ron 4000 et le rendement accru de 20 Dans ce mode de réalisation, comme il a été indiqué cidessus, en ajoutant seulement une structure simple d'une plaque déflectrice en spirale insérée dans la zone d'évaporation dans les tubes on peut emewoher l'accroisement de l'ébullition pelliculaire résultant de la gazéification du liquide de travail dans le tube ; on peut toujours maintenir un état d'ébullition larvé, les pertes calorifiques peuvent autre réduites et l'appareil fabriqué économiquement pour titre relativement petit. 9.EVICA2IOiX 1. Changeur de chaleur à gaz chauds noyés, comprenant un réservoir renfermant un liquide échangeur de chaleur, un brt- leur établi au-dessus du réservoir, une chambre de combustion des gaz assemblée audit brûleur, qui va jusauta-la partie inférieure dudit réservoir, un tube gicleur à gaz de combustion présentant des ouvertures, pour projeter de l'air et les gaz de combustion, ménagées sur la surface supérieure, un ensemble de tubes placés au-dessus-dudit tube gicleur, recourbés pour former une multiplicité de tubes en serpentin, dans lesquels doit passer un liquide de travail à traiter et munis d'une paire d'ailettes parallèles à la surface ondulée à la périphérie extérieure, un organe échangeur de chaleur étant formé par un ré- servoir collecteur d'entrée placé à l'extrémnté inférieure dudit tube gicleur, chacun desdits tubes en serpentin relié audit réservoir collecteur d'entrée set un réservoir collecteur de sortie relié à l'extrémité supérieure de chacun desdits tubes en serpentin et un moyen empêchant l'ébullition pelliculaire, monté dans ledit organe échangeur de chaleur. 2. échangeur de chaleur selon revendication 1, dans lequel le réservoir collecteur d'entrée a une structure double obtenue en y insérant un tube de petit diamètre pourvu de nombreux orifices pour distribuer un liquide, qui sont pratiqués sur la surface inférieure du tube et dans sa direction longitudinale et un passage annulaire est formé entre la surface intérieure du réservoir collecteur d'entrée et le tube de petit diamètre, 3. Echangeur de chaleur selon revendication 1, dans lequel une plaque déflectrice en spirale est prévue dans le tube, dans la zone d'évaporation du-liquide de travail, dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre intérieur du tube,