Brevet FR2218542A1 — publié le 19740913

La présente invention concerne de manière générale des perfectionnements nouveaux et originaux apportes aux échangeurs de chaleur, et, plus particulièrement, des perfectionnements nouveaux et originaux s'appliquant à la construction des surfaces de transfert de chaleur des échangeurs de chaleur. La construction des échangeurs de chaleur classiques comporte des coquilles ainsi que des tubes ou tuyaux, et de tels échangeurs, à coquilles ou à tubes, ont derrière eux une longue période de bon fonctionnement. Ils possèdent beaucoup d'avantages, tels que d'être faciles à entretenir et à réparer, et sont donc très souvent utilisés En dépit toutefois de leurs nombreux avantages et de leur large acceptation, de tels échangeurs à coquilles et à tubes posent, tant pour leur étude que pour leur fabrication et leur emploi un certain nombre de problèmes. On trouve parmi les plus sérieux de ces problèmes les suivants 1. Les joints sont, dans de tels échangeurs, onéreux à fabriquer, et ils ne sont pas entièrement surs du fait qu'ils ont une tendance à fuir.L'intégrité des joints dépend des propriétés physiques du matériau des tubes ainsi que de l'habileté des monteurs, tandis que, d'autre part, la gamme des matériaux utilisables pour les tubes est limitée et que le montage et les réparations sont coûteux. 2. Les parois des tubes doivent avoir une épaisseur~ assez grande pour supporter la pression, résister å la corrosion et permettre la réalisation d'un bon joint entre le tube et la feuille de métal. Ces exigences# imposent, par conséquent, une épaisseur minimale pour chacun des différents matériaux, ce qui augmente le prix de la fabrication et des réparations. 3. L'échangeur tubulaire est, fondamentalement, un appareil à contre courant muni de déflecteurs nécessaires pour renvoyer le fluide d'un bout à l'autre du faisceau afin d'établir une opposition de courant entre les fluides. Il en résulte que les joints entre tubes et déflecteurs sont nombreux et susceptibles d'etre endommagés par les vibrations. 4. Le domaine des vitesses appropriées est limité, et il est nécessaire d'employer des arrangements à passages multiples pour obtenir les vitesses de fluide désirées. La présente invention a pour but la conception et la réalisation d'échangeurs de chaleur et de dispositifs d'échange de chaleur en matériau en feuille qui soient bien moins coûteux que les tubes, tuyaux ou coquilles. Le matériau en feuille constitue les frontières des canaux d'écoulement, et un matériau de remplissage, constitué de particules de tailles et de dimensions généralement uniformes et de préférence sphériques est entassé dans au moins un des canaux. La pression du fluide dans un canal ainsi rempli, mais que le fluide peut néanmoins traverser, est moindre que dans le canal voisin, non rempli et non obstrué ; d'autre part, le remplissage supporte les parois du canal d'écoulement qui sont soumises à la pression extérieure. Le matériau en feuille ainsi supporté constitue un élément de transfert de chaleur qui peut être façonné de manière à donner au canal d'écoulement des dimensions et des formes variées. Le fluide s'écoulant à travers le canal rempli suit, bien entendu, une trajectoire tortueuse et il est nécessaire de maintenir les vitesses de ce fluide assez faibles pour éviter une chute de pression excessive. Un échangeur à surface ainsi supportée est, par conséquent, particulièrement efficace lorsque la quantité de chaleur transférée dans le canal rempli par chaque unité de volume du fluide est grande par rapport à la quantité de chaleur transférée par une unité de volume du fluide dans le canal non obstrué. Une telle situation se produit normalement lorsqu'un changement de phase s'effectue dans le canal rempli, par condensation ou par ébullition, ou lorsqu'il s'agit d'un échange de chaleur entre un gaz circulant dans le canal non obstrué e-t un liquide circulant dans le canal rempli.Les condenseurs, les évaporateurs et les échangeurs liquide/air constituent des applications de caractère général typiques. Parmi plusieurs applications qui ont été jugées particulièrement attrayantes se trouvent les évaporateurs à étages multiples en " flash " utilisés pour dessaler l'eau de mer, les évaporateurs à canal rempli vertical utilisés aussi pour le dessalage de l'eau de mer, les échangeurs eau/air de#refroidisse- ment " sec "pour tours de refroidissement et autres refroidisseurs d'eau, les échangeurs pour liquide corrosif et les concentrateurs de fluide. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, le concept basé sur l'emploi d'un matériau en feuille pour réaliser une surface de transfert de chaleur supportée conforme à l'invention procure une économie notable sur le prix du matériau. De plus, le matériau en feuille de la surface de transfert de chaleur supportée n'est pas un élément qui doive résister à la pression : il nta qu'à transmettre la pression aux particules qui assurent le support et le remplissage. Dans un échangeur tubulaire, la paroi d'un tube doit au contraire être assez épaisse pour supporter l#a pression différentielle, résiste-r à la corrosion, et assurer un bon joint de la feuille dont est fait le tube. Avec le matériau en feuille, il n'y a pas de tel joint à assurer.Bien que le matériau en feuille doive résister à la corrosion, son épaisseur peut , dans la plupart des cas,dtre bien inférieure à celle des tubes des échangeurs tubulaires correspondants. Dans de tels échangeurs tubulaires, le matériau dont est fait le tube doit posséder une ductilité suffisante pour ne pas craquer ou plier lors de la formation du tube à partir d'une feuille- qu'on enroule. Il doit avoir une résistance à la flexion suffisante pour faciliter cette opération d'enroulement.A 1 t inverse, le matériau en feuille pour surface de transfert de chaleur supportée n'a pas à satisfaire à des conditions rigoureuses de flexion, de ductilité et de haute-résistance, de sorte que de nombreux matériaux qui ne peuvent pas être utilisés pour des échangeurs tubulaires peuvent servir de matériaux pour la présente invention. On peut, en fait, utiliser des plastiques ou d'autres matériaux ayant des qualités spéciales telles qu'une bonne résistance à la corrosion et un prix très bas pour les avantages qu'on en retire à l'achat et dans la construction. L'exécution de la jointure des feuilles dont est constitué un tube est coûteuse, et les feuilles elles-memes, les déflecteurs et les supports de-tubes ont aussi un prix élevé. Il en résulte que le prix par unité de surface dtun faisceau de tubes complet est au moins double du prix du tube initial. La surface de transfert de chaleur supportée selon la présente invention ne requiert qu'un minimum de soudures, de coudes et d'opérations de formation, de sorte que son prix de revient est bien inférieur à celui des faisceaux de tubes qui exigent, #de plus, une main d'oeuvra expérimentée.La surface de chaleur supportée peut être fabriquée avec une machinerie simple, telle que machines à découper le métal en feuille et machines à souder automatiques, de sorte qu'une main d'oeuvre moins expérimentée peut produire, en un temps donné, plus d'appareils selon l'invention que d'échangeurs tubulaires usuels. Bien que les particules aient d'abord à remplir une fonction structurelle consistant à transmettre la pression extérieure au bourrage qu'elles constituent par elles, on peut aussi envisager de les faire contribuer au transfert de chaleur et, suivant les conditions rencontrées, leur contribution peut être notable et même importante. Le choix du matériau des particules dépend toutefois, en général, de raisons de disponibilité. On trouve parmi les matériaux en question le sable grossier, le gravier doux ou des grains sphériques de ciment, de plastique ou de céramique, à condition qu'ils ne soient pas-affectés par les fluides de transfert de chaleur et soient assez solides pour résister à l'écrasement et à 11 érosion. Le choix de la composition du matériau en feuille de transfert de chaleur sera basé sur les conditions de service et de fonctionnement. L'épaisseur du matériau en feuille sera généralement basée sur la pression différentielle, le coût , la force de résistance, la facilité de mise en oeuvre et les conditions de corrosion et d'érosion. Des épaisseurs typiques du matériau en feuille de transfert de chaleur pourront se trouver dans le domaine compris entre 0,25 et 0,75 mm. Etant donné que la résistance mécanique du matériau en feuille est moins importante que celle du matériau utilisé pour la paroi des tubes dans les échangeurs tubulaires classiques, il peut être économique d'utiliser un matériau plus mince mais plus noble. Il peut être souhaitable, par exemple, d'utiliser pour la construction d'équipement dedessalage des feuilles minces de titane. Dans les échangeurs fonctionnant dans des conditions de température et de pression moins sévères, on peut utiliser un matériau en feuille de plastique et, en cas de service en milieu très corrosif, il peut être recommandable d'employer des matériaux du genre du téflon en feuille. Le but principal de la présente invention est donc la réalisation d'un- échangeur de chaleur ou d'un dispositif d'échange de chaleur dans lequel les canaux servant à l'écoulement des fluides sont constitués par un matériau en feuille et dans lequel certains des canaux sont bourrés de particules qui permettent l'écoulement du fluide, à travers lesdits canaux, tout en supportant les parois de ceux-ci de façon à ce qu'ils résistent à la pression extérieure. On va maintenant décrire#l'invention au moyen d'exemples de mise en oeuvre et à l'aida des dessins ci-annexés sur lesquels La figure 1 est une vue plane, en dessus, d'un échangeur de chaleur à contre-courant fluide-fluide selon les principes de l'invention. La figure 2 est une vue latérale, en élévation, de l'échangeur de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe transversale, verticale, suivant la ligne 3-3 de la figure 1. La figure 4 est une vue en bout, en élévation, de l'échangeur de la figure 1. La figure 5 est une vue en coupe transversale, verticale, suivant la ligne 5-5 de la figure 4. La figure 6 est une vue en coupe transversale, horizontale suivant la ligne 6-6 de la figure 2. La figure 7 est une vue perspective agrandie de la structure interne d'étanchéité et de fermeture de l'échangeur représanté sur la figure t. La figure 8 est une vue latérale partielle, agrandie, d'une partie du canal rempli représentant, en élévation, les particules de remplissage. La figure 9 est une vue détaillée, en élévation, des particules de remplissage disposées en empilement à pas en carré. La figure 10 est une vue en coupe suivant la ligne 10-10 de la figure 9. La figure Il est une vue détaillée, en élévation, des particules de remplissage disposés en empilement à pas en triangle. La figure 12 est une vue en coupe suivant la ligne 12-12 de la figure 11. La figure 13 est une vue perspective agrandie et détaillée d'une partie de la structure de l'échangeur, montrant des canaux remplis et non remplis, un de cas derniers étant intercalé entre les deux canaux remplis représentés. La figure 14 est une vue latérale, en élévation, d'un condenseur réalisé selon cette invention et mettant en oeuvre le concept de canaux remplis de celle-ci. La figure 15 est une vue en coupe transversale, verticale, suivant la ligne 15-15 de la figure 14. La figure 16 est une vue latérale, en élévation, d'un échangeur de chaleur à contre-courant construit selon les principes de la présente invention et mettant en oeuvre le concept de celle-ci; et La figure 17 est une vue en coupe transversale, verticale, suivant la ligne 17-17 de la figure 16. En se référant mainte#nant plus particulièrement aux dessins ci-annexés, et tout d'abord aux figures t à 7, la référence 10 désigne de manière générale un échangeur de chaleur à contre-courant fluide-fluide mettant en oeuvre les principes de la présente invention . L'échangeur 10, tel qu'il est représenté, en particulier sur la figure 3, est fait dans un matériau en feuille et comporte un élément en feuille 12 constituant une paroi de fond, un élément de paroi 14 ayant la forme dun U et constituant un couvercle ou une enveloppe, et un élément en feuille ondulée 16 qui constitue l'élément de transfert de chaleur .La plaque, ou paroi de fond 12 constitue la base de l'échangeur et elle est pourvue, à ses extrémités opposées, de collecteurs 18 et 20, en forme de rigole, qui constituent les collecteurs d'entrée et de sortie, reliés à des canalisations 22 d'un genre convenable. La plaque de fond 12 est munie sur ses bords latéraux de rebords 24 complémentaires, de rebords 26 portés en saillie, sur leurs bords latéraux par les parois latérales 28 de l'élément en couvercle 14. Les rebords 24 et 26 sont fixés les uns aux autres au moyen d'assemblages à boulons 30. Les parois latérales 32 et 34 de l'élément intermédiaire t6 en feuille ondulée portent aussi, an #saillie, des rebords 36, qui sont intercalés entre les rebords 24 et 26 et serrés entre ceux-ci par les assemblages à boulons 30, de façon à ce que l'élément en feuille soit monté à sa place. L'élément en feuille 16 constitue une paroi mince faite d'une feuille de grande surface en forme de serpentin et présen- tant des boucles, ou sinuosités 38, parallèles#, délimitée chacune par des parois séparées et parallèles 40 et 42 . Les boucles 38 sont fermées à leurs-extrémités inférieures par les parties intégrantes 46 en forme d'anse, ou d'arc, et elles sont ouverts à leurs extrémités supérieures qui font face, vers le haut et à distance, à la paroi supérieure recouvrante 50 de la feuille de couverture 14 .Les boucles, ou sinuosités 38 disposées en accordéon s'étendent dans l'espace compris entre la paroi supérieure 50 de la feuille formant couvercle et la plaque de fond 12, et, comme on peut s'en rendre compte sur la figure3, elles délimitent des canaux 52 avec l'élément de couverture et des canaux 54 avec la plaque de fond . Les canaux 52 sont ouverts du côté de l'élément de couverture et fermés du côté de la plaque de fond, tandis que les canaux 54 sont ouverts du côté de la plaque de fond et fermés du côtX de l'élément de couverture, ou feuille 14. Les bords juxtaposés antérieurs et supérieurs des parois voisines des coudes, ou sinuosités 38, sont joints, ou soudés ensemble, comme indiqué en 56 sur la figure 6, de manière à les faire coopfrer pour constituer les extrémités fermées des canaux 54 qui ne sont ouverts que du coté des collecteurs pour que, par exemple, un gaz condensable ou un liquide condensé puisse les traverser, un gaz, ou un liquide chaud pénétrant par le collecteur d'entrée-18 et un liquide froid sortant par le collecteur de sortie 20. Le liquide condensable est refroidi pendant son passage d'un collecteur à l'autre par l'air qui circule dans les canaux 52 en suivant un chemin longitudinal dans l'échangeur 10 .Des écrans, ou des éléments du même genre 19 sont disposés sur le dessus du collecteur d'entrée 18 et du collecteur de sortie 20 pour maintenir les particules dans les canaux remplis 54 tout en laissant au fluide un libre passage depuis le collecteur d'entrée 18, dans les canaux remplis 54 et de là dans le collecteur de sortie 20 Les canaux de condensation 54 sont remplis de particules 58 qui supportent la feuille 16'par sa face intérieure, c'està-dire par son côté 3~faible pression, les particules de remplissage supportant les parois des canaux de circulation 54 en s' op- posant à la pression extérieure de l'air circulant dans les canaux 52 . La pression de fluide dans les canaux de circulation d'air 52 est supérieure à la pression de fluide dans les canaux de condensation 54 adjacents. On a représenté sur la'figur'e 13 deux canaux 54 support#s et voisins, associés à un canal intermédiaire 54 à circulation nor obstruée . Les canaux 54 sont remplis de particules 58 de telle façon que celles-ci supportent la paroi mince constituée par la feuille 16 et maintiennent la conformation rigide des canaux 54 à faible pression . Les particules, qui seront plus particulière ment#décrites,-ont.uhe forme sphérique et peuvent être groupées suivant des formations particulières de façon à permettre un écoulement uniforme à travers les canaux 54.Ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 13, la pression de fluide dans les canaux remplis 54 de largeur S est moindre que la pression de fluide dans les canaux non obstrués 52 de largeur W. Du fait que le remplissage est fortement serré dans les canaux de circulation 54 de largeur S, la pression différentielle comprime efficacement les canaux remplis en maintenant très rigidement leur forme . La pression différentielle peut, de plus, être notablement supérieure à celle que pourrait supporter un tube de diamètre "5"ayant des parois d'épaisseur "T". Le matériau de remplissage peut revêtir bien des formes. Les particules peuvent être, comme on l'a représenté, des éléments solides en forme de billes en céramique ou en ciment. Les particules sont, préférablement, de forme généralement sphérique et de dimension uniforme. Des particules de dimensions non uniformes tendront à se compacter plus solidement, ce qui réduira la porosité et les caractéristiques d'écoulement, des canaux 54. On peut utiliser des grains de plastique ou de verre, ainsi que des particules de sable grossier tamisées ou bien des cailloux également tamisés. La dimension des particules n'est pas critique, mais on préfère, en général, des particules d'un diamètre compris entre 0,25mm et 12mm environ. On peut utiliser pour les particules sphériques ou éléments de remplissage 58 des modes d'empilement variés. Les particules, ou éléments sphériques 58, peuvent, par exemple, comme on l'a représenté sur les figures 9 et 10, être empilés suivant un arrangement à pas en carrés 60. Sur les figures 11 et 12, les particules, ou éléments sphériques 58, sont entassés de façon plus compacte suivant un arrangement à pas en triangles 62 . Dans l'un ou l'autre de tels arrangements, comme dans tout autre mode d'entassement, les particules fortement immobilisées ne peuvent subir un glissement accidentel et supportent rigidement la feuille de grande surface 16 constituant une paroi mince .Les particules ont pour fonction première de supporter la feuille de grande surface 16 mais elles peuvent aussi contribuer, à titre de fonction secondaire, au transfert de la chaleur. Les dimensions S et W peuvent varier et être déterminées de façon à présenter un certain nombre de caractéris- tiques souhaitables co-noarnant,- par exemple, les sections d'écoulement variables des canaux, les coefficients de transmission de chaleur et les chutes de pression . On peut donc faire varier S et W d'un point à un autre là ou la largeur du canal est augmentée de façon à distribuer plus régulièrement le fluide dans les canaux d'écoulement 54 moins élevés . On notera aussi que l'élément en feuille 16 peut être repoussé ou travaillé de façon à former sur sa surface des dessins divers, tels que des cannelures, pour améliorer les propriétés de transfert de chaleur de ladite surface .L'élément en feuille repliée peut être façonné de manière à faire varier la forme des canaux d'écoulement et de nombreux échangeurs- de chaleur peuvent être réalisés à partir de cas formes. Les dimensions "S" et "W" peuvent varier d'un point à un autre de l'échangeur à condition que leur somme reste constante. Toutefois, si les dimensions extérieures de 11 échangeur varient de façon adéquate, la somme de l'W" et de "S" peut ne pas être maintenue constante. Les chemins ou canaux d'écoulement des deux fluides peuvent donc varier de façon à satisfaire à certaines conditions. La largeur de l'espace d'écoulement W situé, comme on l'a représenté sur la figure 13, entre les canaux remplis "S" peut être typiquement d'environ 12;5mm, bien qu'elle-puisse être plusieurs fois plus grande ou plus petite que cette valeur. Le rayon hydraulique et par conséquent les caractéristiques hydrauliques et de transfert de chaleur du canal d'écoulement sont analogues à celles d'un tube, ou tuyau ayant un diamètre double de "W". La largeur S des espaces remplis, limités par le matériau en feuille de 11 échangeur tels qu'ils sont représentés sur la figure 13, doit être telle que les vitesses d ! écoulement du fluide soient raisonnables . La porosité, ou traversabilité pour le fluide, de tels espaces variera entre 10% et 40% suivant la nature du remplissage et le degré de perfection de la forme sphérique . La largeur de l'espace S peut être typiquement d'environ 12,7 mm. Les particules de remplissage doivent être de dimensions uniformes et généralement sphériques . Des particules de dimensions non uniformes tendront à se compacter plus solidement et à réduire les caractéristiques d'écoulement ou porosité des espaces remplis puisque, dans un tel cas, les particules le-s plus petites tendraient à remplir les vides entre les particules les plus grandes . Cela serait indésirable dans la plupart des cas . Ainsi qu'on l'a représenté sur les figures 9 et 11, les sphères uniformes peuvent être entassées suivant des arrangements d'empilement à pas en carrés ou à pas en triangles, p-ar exemple . Le nombre de couches de particules sera, typiquement, de trois à six.Ainsi, par exemple, si t'W" a une largeur de 12,7mm, les particules pourront avoir un diamètre allant d'environ 5,1mm (3 couches) à 2,5mm (6 couches). On a représenté sur les figures 14 et 15 une autre disposition dans laquelle le condenseur 64 possède une entrée de vapeur 66 et une sortie de liquide 68 . Le mélange vapeur-liquide s'écoule dans des canaux tortueux, non obstrués 70. Les canaux d'écoulement d'air 72 sont remplis de particules fortement entassées qui supportent le canal constitué par une paire de feuilles de grande surface espacées Les particules entassées sont maintenues par des écrans ou des parois terminales analogues 80 qui, bien que maintenant les particules dans le dispositif, ne restreignent pratiquement pas l'écoulement du fluide qui les traverse . On a représenté sur les figures 16 et 17 un échangeur de chaleur à contre-courant comportant les mêmes canaux d'écoulement de fluide non obstrués 76 et des canaux d'air à particules 78 constitués'par des éléments en feuille supportés de grande surface 79. REL'ENDICATIONS ?EVEND ICATIONS 1. Echangeur de chaleur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de paroi délimitant un espace clos, au moins un élément de transfert de chaleur en feuille de grande surface formant paroi mince ne supportant pas la pression, qui délimite avec lesdits moyens de paroi au moins deux canaux d'écoulement, l'un desdits canaux d'écoulement fonctionnant normalement sous une pression plus faible que la pression dans ledit espace clos, des moyens supportant l'élément en feuille formant paroi mince maintenant la conformation rigide des canaux d'écoulement, lesdits moyens de support étant constitués par des particules contigües empilées au moins dans le canal à faible pression tout an permettant- l'écou- lement du fluide à travers les canaux. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 dans lequel ledit canal à faible pression est un canal de condensation et dans lequel les particules contigu as sont empilées dans le canal de condensation au moins. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 dans lequel les particules contigües sont empilées dans lesdits canaux et dans ledit espace clos 4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 dans lequel une paire de feuilles de grande surface pliées, formant élément de transfert de chaleur à paroi mince, sont disposées en voisinage dans ledit espace clos et constituent dans ledit espace, en coopération avec lesdits moyens de paroi, au moins deux canaux d'écoulement. 5. Echangeur de chaleur-selon la revendication 1 dans lequel plusieurs canaux d'écoulement fonctionnent sous pression plus faible que les autres canaux d'écoulement, et dans lequel les particules constituant lesdits moyens de support sont empilées dans chacun des canaux d'écoulement fonctionnant sous faible pression. 6. Echangeur de chaleur selon la revendication t dans lequel les particules contigües sont de forme sphérique et de dimensions uniformes. 7. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 dans lequel les particules contigües sont empilées avec un pas carré 8. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 dans lequel les particules contigus sont empilées avec un pas triangulaire