Brevet FR2238909A1 — publié le 19750221

L'invention concerne les appareils d'échange thermique et elle peut être appliquée dans l'industrie chimique, le raffinage du pétrole, l'industrie alimentaire et nombre d'autres branches industrielles. On connaît un échangeur thermique comprenant un bloc d'éléments de transmission. Ces éléments sont en tôle. Ils sont assemblés de façon à former deux passages isolés l'un de l'autre, dans lesquels circulent les fluides d'échange thermique. Dans ces passages sont placées des insertions constituées par un treillis gaufré en fil à entrelacement plan. De telles insertions servent à créer une surface supplémentaire d'échange thermique, à armer les éléments de transmission et à assurer seulement en partie la mise en turbu lence des veines de fluides d'échange thermique. Toutefois, un tel appareil d'échange thermique présente une série d'inconvénients. Sa puissance thermique est insuffisantes par suite du degré de turbulence peu élevé des fluides d'échange thermique, dû au pouvoir d'agitation insuffisant de l'insertion,\et de la surface d'échange thermique réduite. Le pouvoir dtagitation insuffisant de l'insertion résulte de ce qui suit. L'entrelacement du treillis forme des mailles de petites dimensions.Ces mailles opposent une résistance importante à la circulation des fluides d'échange thermique aux traversées de l'insertion entre les passages formés par les gaufrures. Rtant donné que la section de ces passages est bien plus grande que celle des mailles du treillis, les fluides d'échange thermique circulent principalement suivant la ligne de moindre résistance à l'écoulement, c'est-à-dire le long des passages formés par les gaufrures. En définitive, le brassage des fluides est insuffisant et, par conséquent leur degré de turbulence est faible. Pour assurer une surface supplémentaire suffisante d'échange thermique par développement de la surface d'échange, l'insertion en treillis doit avoir un pas de gaufrage proche de la largeur du passage. Mais, dans ce cas, la quantité de métal à mettre en oeuvre dans l'appareil augmente notablement et irrationnellement, ce qui entratne l'augmentation du prix. Un autre inconvénient de l'appareil d'échange thermique connu est la faible résistance mécanique de sa structure. Cela résulte du pouvoir d'armement insuffisant de l'insertion en treillis car le treillis a entrelacement plan a une rigidité faible dans le plan d'entrelacement. L'appareil d'échange thermique connu présente encore un inconvénient, consistant en ce que son utilisation est incommode vue l'impossibilité d'extraire les insertions en treillis des passages en vue de leur nettoyage ou de leur remplacement, car leur rigidité est insuffisante et elles se déforme lors de l'ex- traction. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients susmentionnés et donc de créer un appareil d'échange thermique à grande puissance thermique en aumxntant la turbulence du f1ii d'échanae thermique, pour une faible résistance à l'écoulement des passages dans lesquels ils circulent, et en réalisant une surface supplémentaire d'échange thermique par développement de la surface d'échange, cet appareil étant susceptible de fonctionner dans une gamme de pressions étendue, grâce à la possibilité de conférer aux insertions la résistance mécanique et l'élasticité voulues et d'une utilisation commode grâce à la possibilité d'exécuter son nettoyage, son prix de revient étant réduit grâce à la mise en oeuvre d'une quantité de métal moindre et à la simplification de la construction. La solution consiste en ce que, dans un appareil d'échange thermique comprenant un bloc d'éléments de transmission thermique en tales assemblés de façon à former deux systèmes de passages isolés l'un de l'autre, dans lesquels circulent les fluides d'échange thermique, des insertions servant d'appuis aux éléments de transmission thermique et à la mise en turbulence des fluides d'échange thermiques étant placés dans ces passages, suivant l'invention, les insertions placées dans au moins l'un des systèmes de passages sont des éléments hélicoSdaux en fil entrelacés et disposés en ragées I1 est avantageux que les éléments héllcoldaux en fil soient disposés en rangées dans deux directions orthogonales, à un pas ne dépassant pas le diamètre intérieur des spires de ces éléments hélicoldaux. I1 est aussi avantageux que les éléments hélicoidaux en fil soient disposés en rangées dans deux directions orthogonales, et que les rangées d'au moins l'une des directions ayant un pas plus grand que le diamètre intérieur des spires-des éléments héli- coidaux. L'appareil d'échange thermique suivant llinvention présente les avantages suivants : grande résistance mécanique vis-à-vis de la pression appliquée sur les surfaces de transmission des 'éléments, faible résistance à l'écoulement des passages parcourus par les fluides d'échange thermique, haut degré de turbulence des fluides d'échange thermique assurant l'intensification de l'échange, réduve~ tion de la quantité de métal à mettre en oeuvre et des dépenses de main-d'oeuvre pour la fabrication, universalité d'applicationX Ainsi, par exemple, l'efficacité de l'échange thermique assuré par l'appareil suivant l'invention est caractérisée par lefait que l'indice général d'efficacité thermique - le coefficient d'etrac- tion de la chaleur rapporté à l'unité de puissance absorbée - est plus grand que celui de l'appareil d'échange thermique à lamelles similaire de la firme "Rozenblad" de 30 %. La résistance mécanique de appareil est caractérisée par le fait que, ainsi conçu, pour la pression maximale (Jusqu'à 50 kg/cm9), l'épaisseur des éléments constituant les surfaces d'échange et le diamètre du fil des insertions en treillis ne dépassent pas 1,5 à 2mm. D'autres buts et avantages de l'invention seront mis en évidence par la description d'exemples de réalisation et des dessinS annexés, dans lesquels - la Fig. 1 représente , avec coupe partielle, la vue d'ensemble du bloc d'éléments de transmission thermique d'un appareil d'échange thermique dans lequel les éléments hélicoidaux en fil sont disposés en rangées dans deux directions orthogonales, à un pas ne dépassant pas le diamètre intérieur des spires ; - la Fig. 2 représente la vue suivant la flèche A de la Fig. 1 ; - la Fig. 3 représente, avec coupe partielle, la vue d'ensemble du bloc d'éléments de transmission thermique d'un appareil d'échange thermique réalisé suivant une variante. L'appareil d'échange thermique comprend un bloc d'éléments d'échange thermique 1 (Fig. 1). Ce bloc est enfermé dans une virole 2. Les éléments de transmission thermique 1 sont en tôle, sous forme de tubes aplatis. I sont assemblés entre eux de façon à former deux systèmes de passages isolés l'un de l'autre et parcou, rus par les fluides d'échange thermique. A cet effet, les éléments de transmissions thermique 1 sont réunis deux à deux. Entre chaque paire d'éléments de transmission 1 réunis, est formé un passage 3 (Fig. 2). L'ensemble des passages 3 constitue le système de passages parcouru par un fluide d'échange thermique. Le second système de passages parcouru par le second fluide est constitué par les passages 4, Pormés entre les paires successives d'éléments de transmission 1 réunis. Dans les passages 3 et 4 sont placés des insert s 5 en treillis. Ces insertions sont constituées par des éléments hélicoidaux 6 en fil, entrelacés, à spires de même diamètre, disposés en rangées. Les éléments hélicoldaux 6 sont disposés dans deux directions orthogonales à un pas t1 (Fig, 1) plus petit que le diamètre intérieur de leurs spires. Les axes a-a > b-b, c-c et d-d sont les axes de passages formés par les spires des éléments hélicoidaux 6 en fil.Les axes a-a et b-b sont orthógonaux,et et les axes c-c et:d-d sont orientés à 450 par rapport aux axes a-a et b-b respectivement. Les éléments hélicoidaux 6 (Fig. 3) en fil sont disposés en rangées dans deux directions orthogonales. Les rangées d'une direction ont un pas k plus grand que le diamètre intérieur des spires ; les rangées de l'autre direction ont un pas t1 plus petit que le diamètre intérieur des spires. Les axes représentés sur la Fig. 3 sont analogues aux axes de la Fig. 1.La conception d'appa reis' d'échange thermique suivant la Fig. 3 est moins robuste et son pouvoir d'agitatlon est plus faible, mais elle demande moins de métal, présente une résistance à l'écoulement plus petite que la conception représentée à la Fig. 1, aussi peut-elle être appliquée avec succès, par exemple, aux liquides visqueux ou bien dans les cas où l'on n'exige pas une robustesse particulière et un pouvoir d'agitation accru de l'appareil d'échange thermique. L'appareil d'échange thermique fonctionne de B façon suivante. Les fluides d'échange thermique arrivent aux passages 3 et 4 (Fig. 2). En circulant dans ces passages, ils constituent des écoulements turbulents, grâce à la présence des insertions 5 en treillis. Chaque fluide est fortement brassé-et l'échange thermique a lieu non seulement auprès de la surface des éléments de transmission thermique 1, mais aussi dans tout le volume des passages 3 et 4. De la sorte, grace à la turbulence du fluide et à la surface supplémentaire d'échange thermique constituée par les insertions 5 en treillis, l'échange thermique entre les fluides est très intense. la résistance mécanique accrue résulte du perfectionnement des insertions de turbulence en treillis. Les éléments hélicoldaux 6 en fil (Fig. 1) sont douées d'élasticité et sont résistants dans la direction perpendiculaire à leurs axes a-a et b-b ÇFig. 1, 3). Après entrelacement des éléments hélicoidaux 6 en fil, surtout si l'entrelacement est réalisé dans deux directions perpendiculaires, des propriétés deviennent plus fortes, car on obtient une structure spatiale fermée, constituée d'anneaux de fils alignés. Le haut degré de turbulence du fluide, pour une résistance à l'écoulement faible des passages parcourus par les fluides d'échan- ge thermique, résulte du fait-que dans les directions des axes a-a et b-b, des éléments hélîcoidaux 6 ainsi que dans les directions c-c et d-d il se forme des passages débouchants entrecroisés suivant quatre directions, dans lesquels circulent les fluides. Etant donné que les passages 3 et 4 ne sont pas continus, mais sont constitués par des files d'anneaux disposées sous un angle par rapport à la direction dcouiement, les filets de..- fluide sont fractionnés par les fils constituant les anneaux, ils se ramifient et s'entre coupent. C'est ce qui assure un haut degré de turbulence des fluides. La grande section des passages, lespetit diamètre du fil, la disposition des spires sous un angle par rapport à la direction de circulation, ainsi que l'absence de saillir ou de poches dans l'insertion en treillis 5, conditionnent la faible résistance à l'écou- lement des passages 3 et 4. Lesdits avantages sont obtenus avec un poids total de métal faible, car l'insertion en treillis 5 est réalisée en fil mince et a une structure rationnelle au point de vue résistance mécanique et surface supplémentaire d'échange ther-mique. Les dépenses de maind'oeuvre pour la fabrication de l'appareil sont faibles, car les insertions en treillis 5 peuvent être fabriquées par des machines automatiques et leur mise en place dans l'appareil d'échange thermique ne requiert aucune fixation complémentaire à la surface d'échange par soudage ou tout autre procédé. Quand il est nécessaire d'accrottre l'efficacité thermique de la surface supplémentaire d'échange thermique constituée par les insertions en treillis 5, on améliore le contact entre l'insertion et les surfaces d'échange. Cela est obtenu en serrant tous les éléments de transmission thermique 1 à l'aide d'un dispositif de serrage placé dans un ou plusieurs passages 3,4, réalisé par exemple sous la forme de coins, ou bien en soudant par résistance ou en brasant l'insertion en treillis 5 aux surfaces de transmission thermique des éléments 1, aux points de contact. L'appareil d'échange thermique suivant l'invention présente encore un avantage, consistant en ce que, quand il est employé pour des fluides pollués, on peut facilement assurer l'extraction des éléments en treillis 5 hors des passages 3 et 4 de l'appareil pour leur nettoyage par lavage, secouage et meme par chocs contre une plaque rigide. Par ce dernier procédé, on peut éliminer les dépits solides inlavables sans dégradation des insertions, grâce à leur élasticité et à leur flexibilité. L'appareil d'échange thermique à insertions en treillis 5, constituées par des éléments hélicoïdaux 6 en fil entrelacés, est de conception universelle. I1 peut être réalisé-dans n'importe lequel des types d'appareils échangeurs thermiques les plus répandus : à plateaux, à plateaux nervurés, à lamelles, spiraux, "double tube", etc. Dans le cas où il est du type à plateaux, les plateaux cons titutifs doivent être lisses, sans gaufures, avec des insertions en treillis 5 entre elles. Ces insertions en treillis 5 jouent alors le rôle de gaufrures : elles mettent les fluides en turbulence, créent des points d'appui et une surface supplémentaire d'échange thermique. Dans l'appareil échangeur thermique du type à plateaux nervurés, à la place des nervures, qui ont d'ordinaire un pouvoir d'agitation faible, on peut employer avec beaucoup d'efficacité des insertions en treillis 5 assurant l'appui des surfaces lisses d'échange thermique, une forte turbulence des fluides échange thermique et un bon développement des surfaces d'échange. Dans les appareils d'échange thermique à lamelles, l'utilisation d'insertions entreillis 5 permet de se passer des lamelles profilées en les remplaçant par des lamelles découpées dans une tôle lisse et, par surcroît, d'assurer une forte turbulence des fluides, ainsi qu'un bon développement des surfaces d'échange. Dans le cas où l'appareil est du type spiral ou 'double tube", les insertions en treillis 5 sont cintrées à la forme des passages spiraux ou cylindriques, constitués par les surfaces lisses, et, par cela-mêhe, on lui confère tous les avantages de l'appareil d'échange thermique décrit plus haut. En outre, en modifiant dans un tel appareil d'échange thermique le diamètre des spires, l'épaisseur du fil ou le pas des spires des éléments hélicoldaux 6 constituant les insertions en treillis 5, on peut l'adapter pour un échange thermique efficace dans diverses conditions, déterminées par la pression, le débit, la température et les propriétés des fluides. - REVENDICATIONS 1.- Appareil d'échange thérmique comprenant un bloc d'élé- ments de transmission thermique en tole assemblés de façon à former deux systèmes passages isolés l'un de l'autre, dans lesquels circulent les fluides d'échange thermique et sont placées des insertions servant d'appui auxdits éléments de transmission thermique et à la mise en turbulence des fluides d'échange thermique, caraçté- risé en ce que les insertions (5) placées dans au moins lfun des systèmes de passages (3,4) sont des éléments hélicoïdaux (6) en fil, entrelacés et disposés en rangées. 2.-Appareil d'échange thermique selon la revendication i, caractérisé en ce que les éléments hélicoïdaux (6) en fil sont disposés en rangees dans deux directions orthogonales, à un pas ne dépassant pas le diamètre intérieur de leurs spires. 3.- Appareil d'échange thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments hélicoïdaux (6) en fil sont disposés en rangées dans deux directions orthogonales, les rangés d'au moins l'une des directions ayant un pas plus grand que le diamètre intérieur des spires des éléments hélicoïdaux (6).