Brevet FR2340524A1 — publié le 19770902

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à tubes verticaux et à réchauffage, On sait que les échangeurs de chaleur sont des appareils qui permettent d'effectuer le transfert de calories entre un fluide primaire qui est "chaud!' et un fluide secon daire froid'# Il est possible par ailleurs, d'utiliser le fluide frimaire pour réchauffer le fluide secondaire avant que l'échange proprement dit ne se fasse Il s'agit en fait d'un piéchauffage du fluide secondaire. Plus précisément, la présente invention concerne un échangeur de chaleur à réchauffage à contre courant dans lequel le fluide primaire circule de la partie supérieure des tubes jusqu'à leurs extrémités lnferieures, cet appareil servant en particulier d'évaporateur pour le fluide secondaire. On connaît déjà des évaporateurs-e-changeurs à tubes verticaux dans lesquels on trouve un réchauffeur. Toutefois, dans ces appareils le réchauffage du fluide secondaire est effectué dans une zone voisine de la région d'entrée du fluide primaire chaud, On comprend bien qu'avec une telle installation, le réchauffage se fait par un fluide qui circule dans le meme sens que le fluide à réchauffer.Il en résulte un rendement thermo-dynamique du cycle de l'installation relativement médiocre, La présente invention a précisément pour objet un échangeur de chaleur à tubes verticaux permettant d'obtenir un rendement thermo-dynamique nettement amélioré en plaçant le réchauffeur à la partie inférieure de l'évaporateur c'est-à-dire dans la zone voisine de la sortie du fluide primaire, le fluide secondaire circulant à contre-courant tout en assurant un bon degré d'intégration de l'ensemble du dispositif (évaporateur et réchauffeur). L'évaporateur à tubes longs verticaux, objet de l'invention, dans lequel le fluide primaire chaud circule de haut en bas dans lesdits tubes se caractérise en ce qu'il comprend I.P. (N et P étant des nombres entiers) tubes verticaux dans lesquels circule ledit fluide primaire chaud de haut en bas lesdits tubes étant fixés à leurs deux extrémités dans deux plaques horizontales d'extrémité, lesdites plaques constituant le couvercle et le fond d'une enceinte complétée par une paroi latérale verticale entourant lesdits tubes et raccordée auxdites plaques d'extrémité, et en ce qu'il comprend à l'intérieur de ladite enceinte trois cloisons intermédiaires horizontales munies d'orifices pour laisser passer lesdits tubes verticaux lesdites cloisons et lesdites plaques d'extrémité définissant successivement du bas vers le haut un espace d'introduction d'un fluide à l'état condensé, un espace de réchauffage dudit fluide, un espace d'évaporation dudit fluide et un espace de distribution de ce miime fluide, en ce qu'il comprend au moins (tzJ- P viroles entourant au moins (N-P Ptubes droits à l'intérieur de l'espace de réchauffage, lesdites viroles étant raccordées à leur extrémité inférieure à l'espace d'introduction et débouchant à leurs extrémités supérieures dans l'espace de réchauffage à proximité de la deuxième cloison horizontale, des moyens pour conduire ledit fluide dudit espace de réchauffage vers ledit espace distributeur, des orifices distributeurs ménagés dans la troisième cloison horizontale autour d'au moins les (N-1)P tubes verticaux entourés par des viroles de telle façon que ledit fluide s'écoule en film le long de la paroi externe desdits tubes, et en ce que ladite paroi latérale de. ladite enceinte comprend au moins une buse d'introduction dudit fluide au niveau de l'espace d'introduction, et au moins une buse de sortie dudit fluide au niveau de l'espace d'évaporation. Selon un premier mode de réalisltion les moyens pour conduire ledit fluide de l'espace de réchauffage vers l'espace de distribution sont constitués par P tuyauteries entourant les P tubes qui ne sont pas entourés par une virole, chaque tuyauterie débouchant par son extrémité inférieure dans l'espace de réchauffage, chaque tuyauterie débouchant par son extrémité supérieure dans espace de distribution Selon un deuxième mode de réalisation, les tubes sont entourés par une virole à l'intérieur de l'espace de réchauffage, la troisième cloison est munie d'orifices distributeurs autour de tous les tubes, et les moyens pour conduire ledit fluide de l'espace de réchauffage vers l'espace de distribution sont constitués par une pluralité de tuyaux verticaux débouchant dans les deux dits espaces De préférence, lesdites viroles sont munies de canne lures verticales au contact de la paroi externe des tubes, lesdites cannelures définissant ainsi autour de chaque tube une pluralité de passages verticaux. De préférence également, lesdites tuyauteries sont munies de cannelures verticales au contact de la paroi externe des tubes, lesdites cannelures définissant ainsi autour de chaque tube une pluralité de passages verticaux. De toutes façons, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté : - sur la figure 1, une vue en coupe verticale d'un premier mode de réalisation de l'échangeur de chaleur objet de l'invention, - sur la figure 2, une vue en coupe horizontale de l'échangeur selon le plan Il-Il de la figure I, - sur la figure 3, une vue en coupe horizontale du même dispositif selon le plan III-III de la figure 1, - sur la figure 4, une vue en coupe verticale d'une variante de réalisation de l'échangeur de chaleur objet de l'invention, et - sur la figure 5, une vue en coupe horizontale d'une variante de réalisation des tubes verticaux, L'évaporateur est inclus dans une enceinte constituée par une paroi latérale verticale 2 sensiblement cylindrique raccordée par ses deux rebords à une plaque horizontale d'extrémité supérieure 4 et à une plaque horizontale d'extrémité inférieure 6. A l'intérieur de cette enceinte, on trouve un certain nombre de tubes verticaux portant la référence générale 8. Dans l'exemple particulier considéré, ce nombre est égal à sept mais il pourrait bien entendu être beaucoup plus important. Les tubes verticaux 8 sont fixés à leurs extrémités supérieures et inférieures respectivement dans les plaques d'extrémité supérieure 4 et inférieure 6. Plus précisément, les tubes 8 sont emboîtés de façon étanche et soudés dans des orifices cylindriques tels que 10 ménagés dans les plaques d'extrémité. Comme on l'a indiqué précédemment le fluide primaire chaud, qui est un gaz dans ce mode particulier de réalisation, est introduit à la partie supé- rieure des tunes 8 par les orifices 10 et ressort apr & avoir échangé sa chaleur avec le fluide secondaire a la partie inf*- rieure des tubes verticaux 8 Si tous les tubes 3 ont exactement la mène forme, ils ne jouent pas tous le momie r#le. Il faut distinguer entre les tubes qui servent de réchauffeur dans leur partie inférieure et qui sont référencés sur la figure 2 par 8a et des tubes qui servent de réchauffeur dans leur partie médiane et qui sont référencés 8b sur cette même figure 2. Dans le cas du mode particulier de réalisation, il y a un seul tube 8b qui est disposé selon l'axe de l'enceinte 2 et six tubes 8a qui entourent le tube 8b et qui sont régulièrement disposés. A l'intérieur de l'enceinte on trouve également une première, une deuxième et une troisième cloison intermédiaire référencées respectivement 11, 12 et 14. Ces cloisons sont également horizontales et donc parallèles aux plaques d'extré- mité 4 et 6. Ces cloisons sont munies d'orifices qui laissent passer les tubes 8a et 8b. On expliquera ultérieurement la liaison entre les tubes 8 et les cloisons intermédiaires. A l'extérieur des tubes 8, les cloisons intermédiaires et les plaques d'extrémité définissent quatre espaces.Du bas vers le haut de l'enceinte on trouve l'espace d'introduction 16 limité par la plaque d'extrémité 6 et la cloison intermédiaire 11, l'espace de réchauffage 18 limité par les première et deuxième cloisons intermédiaires, l'espace d'évaporation 20 limité par les deuxième et troisieme cloisons intermédiaires, et enfin l'espace de distribution 22 limité par la troisième cloison et la plaque d'extrémité supérieure 4. Les espaces d'introduction 16 et de distribution 22 ont une hauteur réduite, l'espace de réchauffage 18 a une hauteur un peu supérieure et l'espace d'évaporation 20 occupe l'essentiel de la hauteur de l'enceinte. Les tubes 8a qui servent de réchauffeur dans leur partie inférieure sont entourés à l'intérieur de l'espace de réchauffage 18 par une virole cylindrique 24. Chaque virole 24 est soudée à son extrémité inférieure de façon étanche sur la cloison intermédiaire 11, et comporte un bord supérieur 26 qui s'arrente un peu en-dessous de la cloison intermédiaire 12. On comprend donc que l'espace annulaire 28 délimité par la paroi externe du tube 8a et par la paroi interne des viroles 24 constitue un passage entre liespace d'introduction 16 et l'espace de réchauffage 18 La hauteur de la virole 24 est légèrement inférieure à la hauteur de l'espace de réchauffage 18. A l'intérieur de l'espace doevaporation 20, le tube 8b est entouré par une tuyauterie cylindrique 30 qui fait toute la hauteur de cet espace. A son extrémité inférieure la tuyauterie 30 est soudée de façon étanche dans la cloison intermédiaire 12. La tuyauterie 30 traverse de façon étanche la cloison intermédiaire 14 et son rebord supérieur 32 dépasse la cloison 14. La tuyauterie 30 et la paroi externe du tube 8b définissent ainsi un passage annulaire 34 qui fait communiquer l'espace de réchauffage 18 avec l'espace de distribution 22. La plaque 14 est en outre munie d'orifices distributeurs tels que 36. Chaque tube 8a comporte au moins un orifice distributeur 36. Le fonctionnement de l'évaporateur est le suivant comme on l'a indiqué le fluide primaire qui est constitué par un gaz s'écoule dans les tubes Sa et & de leur extrémité vers versleurs extrémités inférieures. Le fluide secondaire qui est condensé est introduit dans l'espace d'introduction par la @ise d'entrée 40 ménagée dans la paroi latérale 2 de l'enceinte. Le fluide est introduit dans cet espace sous forme liquide. Le liquide monte le- long des tubes 8 par les passages 28. On voit qu'à ce moment le fluide froid est en contact avec le fluide chaud (le gaz circulant dans les tubes 8a), ce fluide ayant déjà échangé la majeure partie de sa chaleur avec le fluide secondaire.Comme les viroles 24 ont sensiblement la meme hauteur que espace de réchauffage, ce réchauffage se fait sensiblement sur toute la hauteur de cet espace. A sa sortie des passages 28, le liquide suit le passage 34 qui entoure le tube 8b, et il arrive ainsi dans l'espace de distribution 22 On obtient ainsi un réchauffage secondaire du fluide secondaire. Le liquide secondaire traverse alors les orifices distributeurs 36 et descend en lames minces le long de la paroi externe des tubes 8a. On voit donc que lors de la phase d'évaporation les deux fluides circulent dans le même sens. Après s'être évaporé au contact des tubes 8a, le fluide secondaire est évacué par la buse de sortie 42 ménagée dans la paroi latérale 2 un peu au-dessus de la cloison intermédiaire 12. En se reportant à la figure 3, on voit que les viroles 24 constituent en réalisé une pluralité de passages verticaux. Ce résultat est obtenu en ménageant dans les viroles 24 des cannelures verticales telles que 44 qui sont au contact de la paroi externe des tubes 8a. Le passage 28 se décompose donc en réalité en une multiplicité de passages 46. De plus, de préf é- rence, les tubes verticaux 8a et 8b sont munis d'ailettes 48 internes améliorant l'échange de chaleur entre le fluide primaire qui circule à l'intérieur des tubes 8 et le fluide secon daire. On voit de mème sur la figure 2 que la tuyauterie 30 est munie également de cannelures verticales 50 dont les fonds sont au contact de la paroi externe du tube 8b. La tuyauterie 30 définit donc également une pluralité de passages 52 le long du tube 8b. La forme particulière donnée aux viroles 24 et 30 (passages multiples 46 et 52) permet d'obtenir un accroissement de la vitesse du fluide secondaire dans ces zones. Cela permet d'accroître la valeur du coefficient d'échange entre les deux fluides. Dans l'exemple décrit précédemment, on a six tubes 8a et un seul tube 8b. D'une façon générale, le dispositif comporte N tubes qui se répartissent ainsi : N-1 tubes du type 8a et un tube du type 8b Le nombre N peut être optimisé pour chaque cas. Il y a intérêt à avoir N assez grand pour avoir le maximum de surface d'évaporation (N-1 tubes). Cependant, la perte de charge dans le passage 34 (ou dans les passages 52) est une limite pour la valeur de N, de même que la distance horizontale entre le passage 34 et les passages 28, ainsi que la distance horizontale entre le passage 34 et les orifices distributeurs 36. Plus généralement encore, on peut avoir (N-1)P tubes du type 8a et P tubes du type 8b. Sur la figure 4, on a représenté un deuxième mode de réalisation d'échangeur de chaleur objet de l'invention. Dans ce mode de réalisation, on retrouve la paroi latérale 2 de l'enceinte, les plaques d'extrémité ainsi que les tubes 8. Dans ce mode de réalisation tous les tubes 8 Jouent exactement le-même rôle. En conséquence, dans la zone de réchauffage, les tubes 8 sont tous entourés par des viroles 24 qui sont par ailleurs identiques à celles de la figure 1. La différence réside essentiellement dans la façon dont on achemine le fluide secondaire de l'espace de réchauffage vers l'espace de distributions Dans la variante de réalisation on supprime la tuyauterie 30 entourant le tube 8b. La remontée du fluide secondaire est assurée par des tuyaux tels que 60 qui relient directement l'espace de réchauffage à l'espace de distribution. Pour cela les tuyaux 60 sont fixés à leurs extrémités inférieures dans des alésages 62 ménagés dans la plaque 12 et à leurs extrémités supérieures ils traversent la plaque 14. Les tubes 60 se prolongent un peu au-dessus de la plaque 14.Comme dans le cas de la figure 1, les plaques 14 sont munies d'orifices distributeurs 36 le long des tubes 8. Dans ce cas, pour faciliter l'écoule- ment du fluide secondaire par les orifices distributeurs 36, on prévoit des tubes d'équilibrage 64 qui ont seulement pour but d'égaliser les pressions entre l'espace d'évaporation et l'espace de distribution, le liquide s'écoulant alors par gravité. Les orifices de distribution 36, dans la plaque 14, peuvent être sous la forme de rainures inclinées qui impriment au liquide un mouvement hélicoidal, Sortant un-film mieux réparti dès le départ à la surface des tubes 8. Selon un mode de réalisation particulier des tubes 8 représenté sur la figure 5, on peut ménager sur leurs faces externes des rainures verticales telles que 66. Celles-ci s'étendent sur toute la longueur des tubes. Elles peuvent avoir une profondeur de quelques dixièmes de millimètre. On comprend que dans ce cas il n'est pas nécessaire de prévoir dans la plaque 14 des orifices distributeurs, en effet, l'extrémité supérieure des rainures 66 joue ce rôle. En contrepartie, il faut bien entendu que ces rainures soient obturées pour les tubes 8b au niveau de la plaque 12. On comprend que dans le deuxième mode de réalisation, la totalité des tubes 8 sert à obtenir l'évaporation du fluide secondaire. En revanche, on a pas de réchauffage complémentaire le long des tubes 8b. Selon les cas et les performances recher chés, on choisira l'une ou l'autre des solutions. En ce qui concerne la réalisation de ces échangeurs, les viroles 24 et 30 peuvent avantageusement être fabriquées à partir de tôles minces et plissées. Ces viroles peuvent être aisément rendues solidaires des cloisons intermédiaires par un dudgeon conique. De tels appareils peuvent être avantageusement utilisés pour récupérer une partie des calories rEsiduelles contenues dans un gaz (fluide primaire). Dans ce cas on peut avantageusement Utiliser comme fluide secondaire du fréon. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur à tubes longs du type dans lequel un premier fluide chaud circule de haut en bas dans lesdits tubes, caractérisé en ce qu'il comprend NOP (N et P étant des nombres entiers) tubes verticaux dans lesquels circule ledit premier fluide chaud de haut en bas, lesdits tubes étant fixés à leurs deux extrémités dans deux plaques horizontales d'extrémité, lesdites plaques constituant le couvercle et le fond d'une enceinte complétée par une paroi latérale verticale entourant lesdits tubes et raccordée auxdites plaques d'extrémité, et en ce qu'il comprend à l'intérieur de ladite enceinte trois cloisons intermédiaires horizontales munies d'orifices pour laisser passer lesdits tubes verticaux, lesdites cloisons et lesdites plaques d'extrémité définissant successivement du bas vers le haut un espace d'introduction d'un fluide condense, un espace de réchauffage dudit fluide un espace d'évaporation dudit fluide et un espace de distribution de ce meme fluide, en ce qu'il comprend au moins (N-1)P viroles entourant au moins (N-1)P tubes droits à l'intérieur de l'espace de réchauffage, lesdites viroles étant raccordées à leur extrémité inférieure à l'espace d'introduction et débou- chant à leur extrémité supérieure dans l'espace de réchauffage à proximité de la deuxième cloison horizontale, des moyens pour conduire ledit fluide dudit espace de téchauffage vers ledit espace de distribution, des orifices distributeurs ménagés dans la troisième cloison horizontale au tour d'au moins les (N-1)P tubes verticaux entourés par des viroles de telle façon que ledit fluide s'écoule le long de la paroi externe desdits tubes, et en ce que ladite paroi latérale de ladite enceinte comprend au moins une buse d'introduction dudit fluide au niveau de l'espace d'introduction, et au moins une buse de sortie dudit fluide au niveau de l'espace d'évaporation. 2. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour conduire ledit fluide de l'espace de réchauffage vers l'espace de distribution sont constitués par P tuyauteries entourant les P tubes qui ne sont pas entourés par une virole, chaque tuyauterie débouchant par son extrémité inférieure dans l'espace de réchauffage, chaque tuyauterie débouchant par son extrémité supérieure dans 11espace de distribution. 3. Echangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que tous les tubes sont entourés par une virole à l'intérieur de l'espace de réchauffage, en ce que la troisième cloison est munie d'orifices distributeurs autour de tous les tubes, et en ce que les moyens pour conduire ledit fluide de l'espace de réchauffage vers l'espace de distribution sont constitués par une pluralité de tuyaux verticaux débouchant dans les deux dits espaces 4. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites viroles sont munies de cannelures verticales au contact de la paroi externe des tubes, lesdites cannelures définissant ainsi autour de chaque tube une pluralité de passages verticaux. 5. Echangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites tuyauteries sont munies de cannelures verticales au contact de la paroi externe des tubes, lesdites cannelures définissant ainsi autour de chaque tube une pluralité de passages verticaux. 6. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes sont munis sur leur paroi externe de rainures verticales, lesdites rainures jouant au niveau de la troisième cloison intermédiaire le rôle d'orifices distributeurs. 7. Echangeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les orifices distributeurs ont un profil incliné.