Brevet FR2465979A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne les condenseurs ou échangeurs de chaleur à tubes et enveloppe du type comprenant des plateaux longitudinaux et transversaux associés au fais- ceau tubulaire. Le brevet américain n0 2.916.264 (Rhodes) décrit un échangeur à tubes et enveloppe dans lequel un plateau de chicane (18) est disposé au voisinage immédiat de l'entrée (22) pour ramener l'écoulement de vapeur depuis unezone in- termédiaire de l'enveloppe vers une zone voisine de l'ex- trémité du faisceau tubulaire. Le milieu d'échange pénétrant dans l'échangeur est parfaitement défini en deux parties et dirigé vers les extrémités opposées de l'enveloppe. Le brevet américain n0 2.919.903 (Vautrain) décrit un système collecteur similaire prévu au voisinage de l'entrée suivant un agencement sensiblement identique à celui décrit dans le brevet américain précédent. Dans un échangeur à enveloppe connu, désigné par l'appellation TEMA 2-1 J et représenté sur la figure la, un système de tubulures externe réalise des entrées séparées de vapeur aux extrémités opposées de l'enveloppe. Un tel agence- ment augmente inévitablement les dimensions hors tout de l'ensemble et induit des problèmes additionnels de fabrica- tion. Dans un condenseur classique à enveloppe et à tubes, 2. la vapeur est introduite dans l'enveloppe et est amenée à s'écouler en relation d'échange de chaleur avec un faisceau tubulaire au travers duquel circule un fluide réfrigérant, par exemple de l'eau. La vapeur, au contact des tubes, est refroidie et se condense. Le condensat est collecté dans la partie inférieure de l'enveloppe et extrait par une ligne de sortie appropriée. Le faisceau tubulaire, quant à lui, peut avoir une grande variété de formes; mais, dans la plupart des cas, il se présente sous la forme d'un système rectiligne à passe unique, avec une pipe d'entrée à une extrémité de l'envelop- pe et une pipe de sortie à l'autre extrémité. En pratique, il est prévu une série de plateaux ou de chicanes agencés pour forcer la vapeur à passer et repasser le long du faisceau tubulaire pour augmenter le temps de contact et, partant, la relation d'échange de chaleur. Il est bien connu que la perte de charge lors du trajet de l'écoulement de vapeur augmente avec le nombre de passages de traversée du faisceau tubulaire qu'est amenée à subir la vapeur. Malgré cela, on ne se préoccupe généralement pas d'augmenter le temps de contact tout en s'attachant à éviter une augmentation afférente de la perte de charge. In- versement, on ne se préoccupe guère de réduire autant que faire se peut la perte de charge sans toutefois diminuer le temps de contact et l'efficacité de condensation, ce qui s'avère pourtant hautement souhaitable. La présente invention a précisément pour but de réaliser ces objets au moyen d'une nouvelle construction d'échangeur dans-laquelle la vapeur est introduite dans l'en- veloppe en un point central ou au voisinage du point médian entre les extrémités opposées de l'enveloppe. Un plateau s'étendant longitudinalement divise le flux de vapeur d'en- trée en deux et l'amène à s'écouler vers les extrémités op- posées de l'enveloppe, d'Jo il est ensuite ramené vers l'in- térieur en contact avec les tubes. Il s'y produit donc alors une inversion de la direction de l'écoulement avec chaque flux d'écoulement se déplaçant depuis les extrémités vers le 3. centre de l'enveloppe. Des plateaux traversaux forcent ce faisant les écoulements à traverser le faisceau tubulaire plusieurs fois, mais le nombre de ces passages de traversée pour chaque trajet d'écoulement séparé n'est alors approxi- mativement que la moitié du nombre de traversées qui serait nécessaire pour un écoulement d'une extrémité à l'autre de l'enveloppe. La présenteinvention prévoit en outre une conne- xion de sortie de purge disposée centralement sur le côté de l'enveloppe pour réaliser une extraction effective des fluides non condensables dans le trajet d'écoulement défini par l'agencement de plateaux ou de chicanes. La combinaison de cet agencement de plateau et de la connexion de purge se traduit par une augmentation du rendement au niveau du coef- ficient de transfert de chaleur, en raison de la vitesse d'écoulement de vapeur plus élevée le long des tubes et d'un meilleur purgeage sans toutefois que les pertes de charge s'en trouvent augmentées. Selon une caractéristique de la présente inven- tion, le condenseur, comprenant une enveloppe allongée, un faisceau tubulaire constitué d'une pluralité de tubes pa- rallèles, espacés les uns des autres, disposés longitudina- lement dans l'enveloppe, une entrée d'admission communiquant avec une extrémité de ces tubes et une sortie d'évacuation communiquant avec l'autre extrémité de ces tubes est carac- térisé en ce qu'il comprend: - un moyen d'entrée de vapeur agencé sensiblement au niveau d'un point médian entre les extrémités opposées de l'enveloppe pour introduire et faire circuler dans l'en- veloppe un fluide à refroidir en contact avec les tubes; - un moyen de sortie de liquide disposé en re- gard et en face du moyen d'entrée pour extraire le condensat de l'enveloppe; - un moyen de plateau longitudinal disposé dans l'enveloppe pour distribuer le fluide provenant du moyen d'entrée de vapeur vers les extrémités opposées de l'enve- loppe; et 4. - desmoyens de chicanes transversales (28) dispo- sés dans l'enveloppe pour diriger l'écoulement du fluide depuis les extrémités opposées de l'enveloppe vers le cen- tre de l'enveloppe et le moyen de sortie de liquide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la descriptionsuivante d'un mode de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: La figure la est une vue schématique en coupe d'un condenseur de l'art antérieur du type TEMA 2-1 J; La figure 1 est une coupe longitudinale d'un con- denseur selon la présente invention; La figure 2 est une vue en coupe longitudinale sui- vant la ligne 2-2 de la figure 1; et La figure 3 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 1. Comme représenté sur les dessins, le condenseur selon la présente invention, généralement.désigné par la référence 10, comprend une enveloppe allongée sensiblement cylindrique 12 et un faisceau tubulaire 14 disposé longitu- dinalement dans l'enveloppe. Le faisceau tubulaire 14 est formé d'une série de tubes individuels 15 s'étendant paral- lèlement à l'axe longitudinal principal de l'enveloppe 12. Les tubes 15 sont supportés, à une extrémité, sur une pla- que d'extrémité 16 à l'intérieur de l'enveloppe et à l'au- tre extrémité sur une plaque d'extrémité opposée 18. Une pipe d'admission 17 est prévue en communication de fluide avec la plaque d'extrémité 16 pour réaliser un trajet d'écou- lement pour un réfrigérant provenant d'une source adéquate :(non représentée) et destiné à circuler dans les tubes 15 pour sortir de l'autre côté de l'enveloppe, par une pipe d'évacuation 19 disposée en communication de fluide avec la plaque d'extrémité 18. Quoique le réfrigérant soit normalement de l'eau, l'homme de l'art comprendra que tout autre type de réfrigérant-, tel que par exemple de l'éthylè- neglycol, peut également être utilisé. 5. L'enveloppe 12 comprend,en un point situé sensible- ment au niveau du plan médian entre les extrémités opposées de l'enveloppe 12,une entrée de vapeur 20, pour recevoir et acheminer dans l'enveloppe un fluide à refroidir en le fai- sant passer en contact avec les tubesrenfermant le réfrigé- rant. A la partie inférieure de l'enveloppe 12 opposée à l'en- trée de vapeur 20,est ménagée une sortie de condensat ou de liquide 22 pour évacuer ce condensat de l'enveloppe 12. Un plateau 24 s'étend longitudinalement sur sensiblement toute la longueur de la chambre de condensation 26 et sensiblement parallèle aux tubes 15 entre les deux plaques d'extrémité 16 et 18,dans la partie supérieure de l'enveloppe,audessus du faisceau tubulaire 14, c'est-à-dire avec sa partie centrale à proximité de l'entrée 20. Dans l'enveloppe 12 sont également montées une sé- rie de plaques de chicanes 28 s'étendant transversalement alternativement depuis les côtés opposés de l'enveloppe vers un point situé sensiblement au milieu, dans le sens diamé- tral, de l'enveloppe pour ménager dans celle-ci un trajet d'écoulement serpentiforme pour le fluide ou la vapeur à refroidir lors de son déplacement entre les extrémités oppo- sées de l'enveloppe vers le centre de celles-ci. Chaque pla- que de chicane 28 sert également à supporter les tubes indi- viduels 15 du faisceau tubulaire en des endroits intermédiai- res entre les plaques d'extrémité 16 et 18. Les tubes 15 s'étendent au travers des plaques de chicanes 28 et sont fi- xées à celles-ci par tout moyen adéquat connu dans la techni- que, par exemple par brasage. Comme on le voit mieux sur la figure 2, les plaques transversales 28 sont disposées en quin- conce et sont jointes par leurs extrémités supérieures au plateau longitudinal 24 pour définir pour le fluide à refroi- dir,le trajet d'écoulement sinueux ou serpentiforme autour des tubes 15, représenté par les flèches ondulantes en traits pleins 29. Sur le côté de l'enveloppe 12 et au niveau de son plan médian transversal, est prévue une petite sortie ou ou- verture de purge 30 (figures 2 et 3) destinée à être reliée 6. à un dispositif de purge pour évacuer l'air et les autres fluides non condensables pouvant s'accumuler dans l'enve- loppe lors de la mise en oeuvre du condenseur. On comprendra en effet que, lors de la mise en oeuvre d'un système de ré- frigération, de l'air peut être aspiré de temps en temps dans le système, cet air étant non condensable, et réduisant donc le rendement de fonctionnement global de l'ensemble. Pour la mise en oeuvre du condenseur 10, le fluide à refroidir, par exemple un réfrigérant de compresseur chauf- fé sous forme de vapeur, pénètre dans l'enveloppe 12 par l'entrée de vapeur 20 et se divise en deux parties d'écoule- ment approximativement égales. Du fait que le plateau lon- gitudinal 24 s'étend parallèlement au côté adjacent de l'en- veloppe sensiblement et perpendiculairement à l'axe du flux de vapeur entrant par l'entrée 20, cet agencement amène la va- peur à se déplacer tout d'abord dans deux directions opposées parallèles aux tubes 15, comme figuré par les flèches 32 et 34, vers les espaces 36 formés,du côté intérieur de celles-ci, au voisinage des plaques d'extrémité 16 et 18 adjacentes aux extrémités opposées de l'enveloppe. De ces espaces 36, chaque partie d'écoulement de vapeur est alors ramenée vers le centre de l'enveloppe 12 en passant et en repassant le long du fais- ceau tubulaire 14 en raison des plaques de chicanes transver- sales 28 s'étendant à partir des côtés opposés de l'enveloppe, la direction de l'écoulement de vapeur s'inversant au voisi- nage de chaque extrémité libre 31 des chicanes. En passant entre les tubes 15, la vapeur se trouve en condition d'échange de chaleur indirect avec le réfrigérant s'écoulant dans les tubes et amenant de ce fait la condensa- tion de la vapeur. Le liquide refroidi est collecté à la par-' tie inférieure de l'enveloppe et s'écoule par gravité vers la sortie de condensat 22. Le réfrigérant est acheminé, dans la direction figurée par la flèche 38, dans les divers tubes 15 du faisceau tubulaire,en traversant la plaque d'extrémité 16 et la pipe d'admission associée 17. En s'écoulant dans les tu- bes, le réfrigérant absorbe de la chaleur à la vapeur à re- froidir, le réfrigérant chauffé étant déchargé des tubes dans 7. la direction figurée par la flèche 40 en traversant la plaque d'extrémité 18 la pipe d'évacuation associée 19. L'enveloppe est par ailleurs purgée de temps en temps par la sortie de purge 30 pour évacuer les fluides non condensables s'écoulant dans l'enveloppe, comme figuré par les flèches en traits pointillés 42. Le trajet d'écoulement imposé à la vapeur de réfri- gérant à refroidir par l'agencement des plaques ou chicanes 24 et 28 amène les gaz ou fluides non condensables à être entraînés vers la région de la connexion de purge 30. Une purge extrait sensiblement tous les gaz non condensables de la majeure partie du faisceau tubulaire 14, en éliminant ainsi la résistance au transfert de chaleur due à ceux-ci. Cette résistance au transfert de chaleur apparait de façon significative dans les condenseurs sans chicanes en raison d'un effet de calorifugeage procuré par ces gaz, empêchant les molécules de vapeur condensables d'atteindre la surface des tubes. En raison de la construction perfectionnée du condenseur selon la présente invention, le nombre de fois que la vapeur est amenée à s'écouler au travers du faisceau tubulaire 14 est considérablement réduit, en comparaison de la structure de condenseur telle que décrite dans le bre- vet des Etats-Unis d'Amérique n0 2.916.264 susmentionné. De ce fait, l'agencement de condenseur selon la présente inven- tion réduit fortement les pertes de charge tout en augmentant généralement le rendement de condensation du dispositif. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec un mode de réalisation particulier, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'hom- me de l'art. 8. REVENDICATIONS 1 - Condenseur du type à enveloppe et faisceau tubulaire comprenant une enveloppe allongée, un faisceau tubulaire constitué d'une pluralité de tubes parallèles, es- pacés les uns des autres, disposés longitudinalement dans l'enveloppe, une entrée d'admission communiquant avec une extrémité de ces tubes et une sortie d'évacuation communi- quant avec l'autre extrémité de ces tubes, caractérisé en ce qu'il comprend: - un moyen d'entrée de vapeur (20) agencé sensi- blement au niveau d'un point médian entre les extrémités opposées de l'enveloppe (12) pour introduire et faire circu- ler dans l'enveloppe un fluide à refroidir en contact avec les tubes (15); - un moyen de sortie de liquide (22) disposé en re- gard et en face du moyen d'entrée (20) pour extraire le con- densat de l'enveloppe; - un moyen de plateau longitudinal (24) disposé dans l'enveloppe pour distribuer le fluide provenant du moyen d'entrée de vapeur (20) vers les extrémités opposées de l'enveloppe; et - des moyens de chicanes transversales (28) dispo- sés dans l'enveloppe pour diriger l'écoulement du fluide depuis les extrémités opposées de l'enveloppe vers le cen- tre de l'enveloppe et le moyen de sortie de liquide (22). 2 - Condenseur selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le moyen de plateau longitudinal comprend un plateau (24) s'étendant longitudinalement sur sensible- ment la totalité de la longueur de la chambre de condensa- tion (26) définie entre les entrée et sortie du fluide de refroidissement du condenseur. 3 - Condenseur selon la revendication 1, ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de chica- ne transversales comprennent une pluralité de plaques de chicanes (28) s'étendant transversalement, alternativement depuis les côtés opposés de l'enveloppe (12), chaque plaque s'étendant sensiblement jusqu'au niveau de la zone médiane 9. transversale de l'enveloppe. 4 - Condenseur selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (30) pour purger les fluides non condensables se trouvant dans le trajet d'écoulement défini par le moyen de plateau longitudinal (24) et les moyens de chicanes trans- versales (28) de l'enveloppe. - Condenseur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le moyen de purge comprend une petite ouver- ture (30) formée centralement dans la paroi latérale de l'enveloppe (12) et agencée pour être reliée à un dispositif de purge pour extraire de l'enveloppe l'air et les fluides non condensables.