Brevet FR2290646A1 — publié le 19760604

La présente invention est relative à un échangeur a plaques de conception modulaire, facilement démontable et d'un prix de revient limité, cet échangeur pouvant s'appliquer dans les domaines les plus étendus, notamment pour la mise en oeuvre de tout processus d'échango thermique entre liquides a co-courant ou a contrecourant, ou entre liquides et vapeurs avec changement d'état et séparation des produits obtenus. On connaît déjà différentes réalisations d'échangeurs a plaques, qui mettent en oeuvre une superposition d'éléments, emboutis selon un dessin particulier et susceptibles d'entre assemblés de diverses manieres afin de permettre un programme de transfert thermique donné, variable selon les différents paramètres qui régissent le fonctionnement de l'appareil, notamment le débit des fluides qui le traversent, la puissance thermique échangée, les pertes de charge etc.... Des28 ces réalisations connues, les plaques embouties peuvent être réalisées à partir de matériaux variés, notamment en acier inoxydable, en laiton, en bronze, en titane, en tantale... ou en certains alliages tels que l'"hastelloy ou l'"incolloy". La présente invention a pour objet un échangeur a plaques dont la conception est beaucoup plus simple que celle des réalisations antérieures connues, permettant notament d'obtenir un encombrement réduit, des pertes de charges limitées, un nettoyage facilité gracie à un démontage aise et également des coefficients d'échange thermique améliorés. A cet effet, l'échangeur 3 plaques considéré, comportant une succession de modules individuels accolés, communiquant deux par deux pour délimiter deux circuits d'écoulement séparés pour deux milieux fluides échangeant mutuellement des calories, se caractérise en ce que chaque module comporte au moins un cadre plan entourant une cavité centrale, au moins deux orifices ménagés dans le cadre, respectivement pour les entrées et les sorties des milieux fluides traversant la cavité et au moins une ouverture ménac#e dans le cadre pour le passage des fluides vers un module voisin, les cadres des modules formant un empilement plan sur plan et étant isolés par une feuille mince étanche parallèle au plan des cadres et séparant les milieux fluides dans deux cadres superposés de telle sorte que le transfert therMique entre ces fluides s'effectue a travers cette feuille mince t'un module au suivant dans 1 'empile- ment. Avantageusement, la cavité centrale de chaque module comporte à l'intérieur du cadre un organe intercalaire d'espacement entre deux feuilles minces étanches successives dans l'empilement des modules. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, chaque cadre comporte dans sa périphérie et ménagés à travers son épaisseur, quatre trous, dont deux communiquent avec la cavité pour constituer les orifices d'entre et de sortie d'un des deux milieux fluides et dont les deux autres assurent la traversée du cadre sans communication avec la cavité pour le passage de l'autre milieu fluide. De préférence, les trous ménagés dans les cadres délimitent a travers l'empilement des modules quatre conduits collecteurs continus mais séparés pour les deux milieux fluides alimentant les cadres superposés. Dans un autre mode de réalisation, applicable notamment lorsque l'un des deux milieux fluides est constitué par un liquide a évaporer et l'autre milieu fluide par de la vapeur, la cavité centrale des modules traversée par le liquide constitue a sa partie inférieure un bac de recueil du liquide non évaporé et a sa partie supérieure un évent de sortie de la vapeur, l'organe intercalaire monté dans cette cavité assurant le dévésiculage de la vapeur et sa séparation d'avec le liquide entraîne. Selon une caractéristique avantageuse de l'échangeur considéré, l'empilement des modules est serré entre deux plaques de support appliquées contre les cadres disposés aux extrémités de l'empilement, ces plaques étant maintenues par des tirants s'étendant perpendiculairement au plan de ces cadres. Dans une variante de réalisation préférée mais non exclusive de l'invention, chaque cadre présente un profil rectangulaire, délimitant une cavité centrale de même contour et comPorte quatre trous sensiblement disposés selon les diagonales du cadre, deux trous opposés selon une de ces diagonales communiquant avec la cavité par des conduits radiaux. Dans cette variante, les cadres des modules sont identiques et superposés dans l'empilement après retournement d'un cadre au suivant autour d'un axe médian de symétrie transversale. Quelle que soit la variante de réalisation adoptée, les feuilles minces séparant les cavités de deux cadres successifs dans 1 'empilement peuvent être réalisées a partir d'un matériau plastique ou métallique, notamment en "téflon" (polytétrafluoroethylène) ou en aluminium, d'épaisseur comprise entre 0,05 et 1 mm. L'organe intercalaire monté dans chaque cavité d'un module peut être également réalisé en matière plastique ou a partir d'un matériau métallique. De même, le cadre de chaque module peut être en un matériau plastique présentant une rigidité convenable, notamment en polyéthylène ou polypropylène. En variante, les modules peuvent présenter une structure mixte, les cadres étant par exemple métalliques et les feuilles étanches de séparation des cavités en matériau plastique ou inversement.L'échangeur a plaques selon l'invention est applicable a la distiliátion, notamment a la distillation de l'eau de mer, en vue de produire de l'eau douce. D'autres > aractéristiques d'un échangeur a plaques établi conformément a l'invention apparaitront encore a travers la description qui suit de deux exemples de réalisation, donnés ci-après a titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en perspective partiellement éclatée d'un échangeur a plaques réalisé conformément a une première variante de l'invention, - la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'une autre variante de réalisation. L'échangeur a plaques représenté sur la Fig. 1 est principalement composé par un empilement de modules 1, identiques, formés chacun d'un cadre 2, plan, en matière plastique, du genre polypropylène ou autre, ou en un matériau métallique, présentant tin profil extérieur rectangulaire, et délimitant une cavité centrale 3 de même contour. Dans celleci est monté un organe d'entretoisement, de préférence constitué par un grillage 4 en mati#re plastique ou en matériau métallique approprié, permettant de maintenir au droit de la cavité 3 de chaque module 1 un espacement convenable entre des feuilles minces 5, intercalées entre deux cadres successifs dans l'empilement des modules. De plus, cet organe d'entretoisement provoque des turbulences qui améliorent les transferts thermiques. Ces feuilles minces 5 assurent l'étanchéité des modules de l'un a l'autre dans l'échangeur et sont de préférence constituées au moyen d'une matière plastique, par exemple du genre "téflon" (polytétrafluo- roéthylène), ou a partir d'un métal, par exemple en aluminium, l'épaisseur de la feuille étant comprise entre 0,05 et 1 mm. Dans chacun des cadres 2 formant l'empilement des modules de l'échangeur sont ménagés des orifices 6, au nombre de quatre et de préférence répartis dans l'exemple de réalisation représente où chaque cadre 2 présente une forme rectangulaire, au voisinage des sommets du rectangle, c'est-a-dire deux a deux selon la direction des diagonales du cadre. Dans chacun de ceux-ci deux des trous précédents, par exemple les trous 6a et 6b sur une de ces diagonales sont réunis a la cavité centrale 3 par l'intermédiaire de canaux radiaux 7. Ces canaux radiaux 7 peuvent être, si nécessaire, subdivisés en une pluralité d'orifices séparés.En revanche dans les deux cadres qui sont juxtaposés et accolés au précédent, ce sont les deux autres trous, respectivement 6c et 6d qui comportent les canaux de communication avec la cavité centrale et ainsi de suite d'un module au suivant, les cadres étant superposés avec retournement de l'un a l'autre autour d'un axe de symétrie médian. Grâce à cette disposition, l'empilement des modules dans l'échangeur est agencé de telle sorte que chaque cadre portant deux trous 6a et 6b soit disposé entre deux cadres portant des trous 6c et 6d, l'ensemble de tous ces trous 6 délimitant a travers l'empilement, des conduits continus permettant d'alimenter les différents modules de l'échangeur par deux milieux fluides différents, aptes a échanger entre eux des calories. Des trous analogues sont naturellement prévus dans les feuilles minces 5 pour le passage des fluides. Seuls quelques uns de ces trous ont été représentés sur la Fig. 1 pour ne pas surcharger le dessin. Dans l'exemple de la Fig. 1, le trajet de l'un des milieux fluides, passant par les cadres munis des trous 6a et 6b a été schématise en traits interrompus, selon les flèches 8a et 8b, le parcours de l'autre milieu fluide à travers les trous 6c et 6d correspondant aux flèches en traits pleins 8c et 8d. Les deux trajets sont ainsi complètement séparés, les deux fluides pouvant circuler à co-courant (cas de la Fig. 1) ou à contre-courant, en échangeant des calories mutuellement à la traversée de chacun des modules de l'empilement à travers les plaques minces de séparation 5.On a décrit dans cet exemple, un écoulement des fluides en parallèle grâce à quatre ouvertures dans chaque cadre, dont deux sont reliées à la cavité centrale et les deux autres sans communication avec cette même cavité centrale. Bien entendu, on pourrait en utilisant des modules pourvus de 3 orifices, dont deux seraient en communication et un sans communication avec la cavité centrale, prévoir une circulation des fluides en série à co ou à contre courant. De même en alternant judicieusement ces modules, on pourrait réaliser une circulation mixte, parallèle pour un fluide et en série pour l'autre, à co ou à contre courant. De préférence, l'empilement des modules est maintenu par deux plaques d'extrémité, en acier ou autre matériau adapté, respectivement 9 et 10, solidarisées l'une de l'autre par des tirants 11, s'étendant perpendiculairement au plan des cadres 2 et assurant ainsi un démontage aisé pour entretien ou changement d'un ou de plusieurs modules. Bien entendu, il va de soi que la mise en place des modules dans l'empilement ne préjuge pas de la nature des milieux fluides intéressés, qui peuvent se présenter sous forme de liquides ou de vapeurs.Les matériaux plastiques utilisés ("téflon", polyéthylène, polypropylène,...) sont généralement très résistants, peu coûteux, et permettent la mise en oeuvre de milieux très corrosifs, les coefficients d'échange pouvant atteindre, même avec des dimensions réduites pour l'appareil pris dans son ensemble, 1.000 à 1.500 Kg/cal./h./m2/0C avec des feuilles de séparation étanches en plastique, ou 3.500 à 4.000 Kg./cal./h./m2/0C avec des tôles très minces, en aluminium notamment. Sur la Fig. 2, on a représenté une variante de réalisation de l'échangeur selon l'invention où l'appareil est plus particulièrement destiné à la production d'eau douce à partir d'eau de mer. Cette variante comporte plusieurs cellules 21 accolées à une pluralité de cellules 22. Les cellules 21 sont délimitées, comme dans l'exemple précédent, par des cadres péri phériques 23, entourant des cavités centrales 24, à l'intérieur desquelles sont montés des organes espaceurs 25 métalliques ou plastiques. Ces cadres 23 comportent, ménagés dans leur épaisseur, des conduits schématisés ici en 26 et 27. Les cellules 22 sont séparées des cellules 21 par des feuilles minces 28, en matière plastique ou en métal. Les cellules 22 sont aussi délimitées par des cadres périphériques 23 dans lesquels sont aménagés des conduits, schématisés en 29, 29a, 33 et 34. Les cavités centrales de ces cellules 22 devant être de dimensions relativement importantes, ces cellules sont réalisées, dans l'exemple considéré, et dans un souci de facilité de fabrication, par un empilement de cadres 23, dépourvus de membranes de séparation. Bien entendu, les cadres de ces cellules 22 peuvent être usinés d'une seule pièce. Dans l'exemple décrit applicable à une installation de dessalement de l'eau de mer, on a prévu, au voisinage des cellules 21, des cloisons 30, s'étendant sur une partie seulement de la hauteur des cellules 22. Ces cloisons sont destinées à maintenir l'eau à traiter, arrivant par les conduits 29 et 29a, en contact avec les feuilles minces 28. Des organes espaceurs 31 sont placés à l'intérieur des cavités centrales délimitées par les cadres 23. La saumure 32 s'accumule dans la partie inférieure de la cellule 22.Cette saumure 32 est alors soutirée par les conduits 33. A la partie supérieure des cellules 22, les conduits 34 assurent l'extraction de la vapeur produite. Dans l'échangeur représenté sur la Fig. 2, les cellules 21 reçoivent de la vapeur par les conduits 26. Cette vapeur provient soit d'une chaudière, soit d'un appareil voisin identique. Cette vapeur cède de la chaleur en se condensant. Le condensat, prélevé par les conduits 27, est recyclé vers la chaudière ou constitue la production d'eau douce. Par les conduits 29 et 29a, l'eau de mer fraîche ou une saumure provenant d'un appareil précédent, pénètre dans les cellules 22. La chaleur cédée par la vapeur qui se condense en 21 vaporise une partie de cette eau de mer ou de cette saumure. Après avoir traversé les organes espaceurs 31 qui en assurent son dévésiculage, la vapeur, extraite par les conduits 34, est dirigée soit vers un condenseur soit vers un appareil voisin. La saumure restante 32 s'accumule en partie basse des cellules 22, puis est soutirée par les conduits 33 pour être soit rejetée, soit dirigée vers un appareil voisin et ainsi de suite. Avantageusement, une installation de distillation, notant ment pour dessalement de l'eau de mer, peut être réalisée en associant un ou plusieurs des appareils tels que décrit ci-dessus, avec un procédé de thermocompression. On peut aussi grouper, en série, une pluralité de ces appareils suivant un système à multipleseffets. Dans l'exemple de la Fig. 2, on a décrit un appareil comportant une pluralité de cellules 21 et 22 alimentées en parallèle par les divers fluides. Bien entendu, on pourrait prévoir une installation dont les diverses cellules consécutives seraient alimentées en série. De même, ces cellules pourraient constituer un bloc compact. Le liquide d'alimentation peut être réchauffé dans des échangeurs conformes à l'invention par échange de chaleur avec le distillat et/ou une fraction de la vapeur provenant de l'évaporation du liquide à évaporer. Cette dernière disposition peut, bien entendu, être intégrée dans l'ensemble de l'installation et former ainsi un seul bloc. Les avantages procurés sont identiques à ceux déjà exposés, notamment en ce qui concerne le prix de revient faible de 1 'échangeur et sa compacité notable, la juxtaposition d'éléments modulaires permettant d'augmenter ou de diminuer à souhait l'efficaçité de l'ensemble. Les matériaux utilisés peuvent être variés, plastiques et/ou métalliques, le démontage et le remontage pouvant par ailleurs être très rapide, notamment pour permettre de réparer une partie des modules ou de remplacer un module entier, en particulier en cas de corrosion ou de percement, ou bien pour détartrer l'appareil. REVENDICATIONS 1. Echangeur à plaques, comportant une succession de modules individuels accolés, communiquant deux par deux pour délimiter deux circuits d'écoulement séparés pour deux milieux fluides échangeant mutuellement des calories, caractérisé en ce que chaque module comporte au moins un cadre plan entourant une cavité centrale, au moins deux orifices ménagés dans le cadre, respectivement pour les entrées et les sorties des milieux fluides traversant la cavité et au moins une ouverture ménagée dans le cadre pour le passage des fluides vers un module voisin, les cadres des modules formant un empilement plan sur plan et étant isolés par une feuille mince étanche parallèle au plan des cadres et séparant les milieux fluides dans deux cadres superposés, le transfert thermique entre ces fluides s'effectuant à travers cette feuille mince d'un module au suivant dans l'empilement. 2. Echangeur à plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité centrale de chaque module comporte à l'intérieur du cadre un organe intercalaire d'espacement entre deux feuilles minces étanches successives dans l'empilement des modules. 3. Echangeur à plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cadre comporte dans sa périphérie et ménagés à travers son épaisseur, quatre trous, dont deux communiquent avec la cavité pour constituer les orifices d'entrée et de sortie d'un des deux milieux fluides et dont les deux autres assurent la traversée du cadre sans communication avec la cavité pour le passage de l'autre milieu fluide. 4. Echangeur à plaques selon la revendication 3, caractérisé en ce que les trous ménagés dans les cadres délimitent à travers l'empilement des modules quatre conduits collecteurs continus mais séparés pour les deux milieux fluides alimentant des cadres superposés. 5. Echangeur à plaque selon la revendication 1, applicable notamment lorsque l'un des deux milieux fluides est constitué par un liquide à évaporer et l'autre milieu fluide de la vapeur, caractérisé en ce que la cavité cen traie des modules traversée par le liquide forme à sa partie inférieure un bac de recueil du liquide non évaporé et à sa partie supérieure un évent de sortie de la vapeur, l'organe intercalaire monté dans cette cavité assurant le dévésiculage de la vapeur et sa séparation d'avec le liquide entraîné. 6. Echangeur à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'empilement des modules est serré entre deux plaques de support appliquées contre les cadres disposés aux extrémités de l'empilement, ces plaques étant maintenues par des tirants s'étendant perpendiculairement au plan de ces cadres. 7. Echangeur à plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cadre présente un profil rectangulaire délimitant une cavité centrale de même contour et comporte quatre trous sensiblement disposés selon les diagonales du cadre, deux trous opposés selon une de ces diagonales communiquant avec la cavité par des conduits radiaux. 8. Echangeur à plaques selon la revendication 7, caractérisé en ce que les cadres des modules sont identiques et superposés dans l'empilement après retournement d'un cadre au suivant autour d'un axe médian de symétrie transversale. 9. Echangeur à plaques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les feuilles minces séparant les cavités de deux cadres successifs dans l'empilement sont réalisées à partir d'un matériau plastique ou métallique, en polytétrafluoroéthylène ou en aluminium, d'épaisseur comprise entre 0,05 et 1 mm. 10. Application de l'échangeur à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, à la distillation d'un fluide liquide. 11. Application de l'échangeur à plaques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, à la distillation de l'eau de mer.